Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ).pdf

• Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для операционных систем реального времени).

• Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

• Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы. Операционная система изолирует аппаратное обеспечение компьютера от прикладных программ пользователей. И пользователь, и его программы взаимодействуют с компьютером через интерфейсы операционной системы. Это можно проиллюстрировать, например, рис. 1.2.

Рис. 1.2. Взаимодействие пользователя и его программ с компьютером через операционную систему.

1.3 Понятия вычислительного процесса и ресурса в операционных системах

Понятие последовательного вычислительного процесса, или просто процесса, является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующего неформального определения. Последовательный процесс, иногда называемый задачей (task), — это отдельная программа с ее данными, выполняющаяся на последовательном процессоре. Напомним, что под последовательным мы понимаем такой процессор, в котором текущая команда выполняется после завершения предыдущей. В современных процессорах мы сталкиваемся с ситуациями, когда возможно параллельное выполнение нескольких команд. Это делается для повышения скорости вычислений. В этих процессорах параллелизм достигается двумя основными способами — организацией конвейерного механизма выполнения команды и созданием нескольких конвейеров.

Однако в подобных процессорах аппаратными решениями обязательно достигается логическая последовательность в выполнении команд, предусмотренная программой. Концепция процесса предполагает два аспекта: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он собственно и выполняет операции, связанные с обработкой этих данных. В качестве примеров процессов (задач) можно назвать прикладные программы пользователей, утилиты и другие системные обрабатывающие программы. Процессом может быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, ее компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной программы — другим процессом, поскольку транслятор как объединение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

---

В последующие годы задачей стали называть единицу работы, для выполнения которой предоставляется центральный процессор. Вычислительный процесс может включать в себя несколько задач. Концепция процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, также, как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к многократно используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, задействуются и освобождаются в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы. Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов используют их одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (попеременно в течение некоторого интервала времени), а могут быть и неделимыми (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация ресурсов.

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода-вывода и периферийные устройства. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для системы как объекты, которые могут разделяться и распределяться и доступ, к которым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, ресурсами стали называть и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи. В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в известной работе Яноша Джона фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода-вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления. Понятия вычислительного процесса и ресурса позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода-вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный, или мультизадачный, режим работы вычислительной системы.

---

2. УПРАВЛЕНИЕ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ В ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

2.1 Основные концепции организации ввода-вывода в операционных системах

Побудительной причиной, в конечном итоге приведшей разработчиков к созданию системного программного обеспечения, в том числе операционных систем, стала необходимость предоставить программам средства обмена данными с внешними устройствами, которые бы не требовали непосредственного включения в каждую программу двоичного кода, управляющего устройствами ввода-вывода. Напомним, что программирование ввода-вывода является наиболее сложным и трудоемким, требующим очень высокой квалификации. Поэтому код, реализующий операции ввода-вывода, сначала стали оформлять в виде системных библиотечных процедур, а потом и вовсе вывели из систем программирования, включив в операционную систему. Это позволило не писать такой код в каждой программе, а только обращаться к нему — системы программирования стали генерировать обращения к системному коду ввода-вывода. Таким образом, управление вводом- выводом — это одна из основных функций любой операционной системы. С одной стороны, организация ввода-вывода в различных операционных системах имеет много общего. С другой стороны, реализация ввода-вывода в ОС так сильно отличается от системы к системе, что очень нелегко выделить и описать именно основные принципы реализации этих функций. Проблема усугубляется еще и тем, что в большинстве ныне используемых систем эти моменты вообще, как правило, подробно не описаны (исключением являются только системы Linux и FreeBSD, для которых имеются комментированные исходные тексты), а детально описываются только функции API, реализующие ввод-вывод. Другими словами, для тех же систем Windows от компании Microsoft мы воспринимаем подсистему ввода- вывода как «черный ящик». Известно, как можно и нужно использовать эту подсистему, но детали ее внутреннего устройства остаются неизвестными. Поэтому в данной главе мы рассмотрим только основные идеи и концепции. Наконец, поскольку такой важный ресурс, как внешняя память, в основном реализуется на устройствах ввода-вывода с прямым доступом, а к ним, прежде всего, относятся накопители на магнитных дисках, мы также рассмотрим логическую структуру диска, начальную стадию процесса загрузки операционной системы, кэширование операций ввода-вывода, оптимизацию дисковых операций.

---

Как известно, ввод-вывод считается одной из самых сложных областей проектирования операционных систем, в которой сложно применить общий подход и в которой изобилуют частные методы. В действительности, источником сложности является огромное число устройств ввода-вывода разнообразной природы, которые должна поддерживать операционная система. При этом перед создателями операционной системы встает очень непростая задача — не только обеспечить эффективное управление устройствами ввода-вывода, но и создать удобный и эффективный виртуальный интерфейс устройств ввода-вывода, позволяющий прикладным программистам просто считывать или сохранять данные, не обращая внимание на специфику устройств и проблемы распределения устройств между выполняющимися задачами. Система ввода-вывода, способная объединить в одной модели широкий спектр устройств, должна быть универсальной. Она должна учитывать потребности существующих устройств, от простой мыши до клавиатур, принтеров, графических дисплеев, дисковых накопителей, компакт-дисков и даже сетей. С другой стороны, необходимо обеспечить доступ к устройствам ввода-вы- вода для множества параллельно выполняющихся задач, причем так, чтобы они как можно меньше мешали друг другу. Поэтому самым главным является следующий принцип: любые операции по управлению вводом-выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом самой операционной системы. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров даже вводятся режимы пользователя и супервизора. Последний еще называют привилегированным режимом, или режимом ядра. Как правило, в режиме супервизора выполнение команд ввода-вывода разрешено, а в пользовательском режиме — запрещено. Обращение к командам ввода-вывода в пользовательском режиме вызывает исключение\ и управление через механизм прерываний передается коду операционной системы. Хотя возможны и более сложные схемы, в которых в ряде случаев пользовательским программам может быть разрешено непосредственное выполнение команд ввода-вывода. Еще раз подчеркнем, что мы, прежде всего, говорим о мультипрограммных операционных системах, для которых существует проблема разделения ресурсов, и одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода-вывода и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осуществляется обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью. Помимо разделяемых устройств ввода-вывода (эти устройства допускают разделение посредством механизма доступа) существуют неразделяемые устройства. Примерами разделяемого устройства могут служить накопитель на магнитных дисках, устройство чтения компакт-дисков. Это устройства с прямым доступом. Примеры неразделяемых устройств — принтер, накопитель на магнитных лентах. Это устройства с последовательным доступом. Операционные системы должны управлять и теми, и другими, предоставляя возможность параллельно выполняющимся задачам их использовать. Можно назвать три основные причины, по которым нельзя разрешать каждой отдельной пользовательской программе обращаться к внешним устройствам непосредственно.

---

• Необходимость разрешать возможные конфликты в доступе к устройствам ввода-вывода. Например, пусть две параллельно выполняющиеся программы пытаются вывести на печать результаты своей работы. Если не предусмотреть внешнего управления устройством печати, то в результате мы можем получить абсолютно нечитаемый текст, так как каждая программа будет время от времени выводить свои данные, перемежающиеся с данными от другой программы. Либо можно взять ситуацию, когда для одной программы необходимо прочитать данные с одного сектора магнитного диска, а для другой записать результаты в другой сектор того же накопителя. Если операции ввода-вывода не будут отслеживаться каким-то третьим (внешним) процессом-арбитром, то после позиционирования магнитной головки для первой задачи может тут же прийти команда позиционирования головки для второй задачи, и обе операции ввода- вывода не смогут выполниться корректно.

• Желание увеличить эффективность использования ресурсов ввода-вывода. Например, у накопителя на магнитных дисках время подвода головки чтения/записи к необходимой дорожке и время обращения к определенному сектору могут значительно (до тысячи раз) превышать время пересылки данных. В результате, если задачи по очереди обращаются к цилиндрам, далеко отстоящим друг от друга, то полезная работа, выполняемая накопителем, может быть существенно снижена.

• Необходимость избавить программы ввода-вывода от ошибок. Ошибки в программах ввода-вывода могут привести к краху всех вычислительных процессов, ибо часть операций ввода-вывода требуются самой операционной системе. В ряде операционных систем системный ввод-вывод имеет существенно более высокие привилегии, чем ввод-вывод задач пользователя. Поэтому системный код, управляющий операциями ввода-вывода, очень тщательно отлаживается и оптимизируется для повышения надежности вычислений и эффективности использования оборудования.

Итак, управление вводом-выводом осуществляется компонентом операционной системы, который часто называют супервизором ввода-вывода. Перечислим основные задачи, возлагаемые на супервизор.

1. Модуль супервизора операционной системы, иногда называемый супервизором задач, получает запросы от прикладных задач на выполнение тех или иных операций, в том числе на ввод-вывод. Эти запросы проверяются на корректность и, если они соответствуют спецификациям и не содержат ошибок, то обрабатываются дальше. В противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.

---