Операционные системы

       

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ


Состав конкретной ОС во многом зависит от конкретной ориентации, сферы применения ОС. Современные ОС имеют подвижные границы и могут включать различные компоненты общесистемного программного обеспечения (ОСПО). Состав ОС в целом определяется современной архитектурой вычислительной системы (ВС), которая представляет собой иерархическую совокупность аппаратного обеспечения (АО) и программного обеспечения (ПО), реализующих процесс решения задач на ЭВМ. Каждый слой состоит из множества элементов и решает свои задачи.

АО определяет внешнюю архитектуру ЭВМ, в том числе:

-

машинный язык как систему команд процессора;

-       программно-адресуемые регистры;

-       организационную схему адресации ОП (реальная/виртуальная, линейная/сегментная);

-       фиксирует порядок взаимодействия всех аппаратных блоков: ЦП, оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), каналов внешних запоминающих устройств (ВЗУ), периферийных устройств (ПУ).

В современной ЭВМ АО состоит из двух слоев:

1.     Собственно технические средства аппаратуры, включающие в свой состав:

-         электрические цепи;

-         вентили, триггеры, интегральные схемы, большие интегральные схемы, микропроцессоры (МП).

2.     Микропрограммное обеспечение - набор микропрограмм, которые на основе системы микрокоманд и внутренних регистров МП в сверхбыстром постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и перепрограммируемом ПЗУ (ППЗУ), реализуют практически все аппаратные блоки ЭВМ.

В настоящее время каждый блок компьютера представляет собой микро-ЭВМ с некоторым функциональным набором команд (адаптер, контроллер, блок управления, блок сопряжения). Теперь для того, чтобы модифицировать функциональность компьютерного оборудования, можно перепрограммировать ПЗУ. Таким образом, можно изменить, например, базовую систему ввода/вывода (BIOS) IBM PC или протокол передачи данных модема.




Микропрограммная реализация ЭВМ обеспечивает:

1.     Технологичность изготовления ЭВМ, снижение расходов на изготовление конкретных аппаратных блоков.

2.     Легкость расширения и изменения внешней архитектуры ЭВМ.

3.     Повышение производительности ВС посредством погружения ПО на микропрограммный уровень.

Микропрограммный уровень, как правило, не доступен для ПО ВС и программируется с помощью программаторов (специальных устройств). Современные же ПЗУ (Flash ПЗУ) можно перепрограммировать с помощью пользовательской программы без использования специализированных устройств.

ПО специализирует АО на решение конкретных задач и состоит их четырех слоев. Базовое программное обеспечение (БПО) – самый низкий уровень ПО ВС, который предназначается для обеспечения общего управления ЭВМ и организации работы всех системных и прикладных программ. В состав БПО включаются средства генерации ОС, управляющая программа, утилиты, комплекс программ технического обслуживания (КПТО).

Инструментальное программное обеспечение (ИПО) включает средства, предназначенные для автоматизации программирования:

-         программирование решения задачи на подходящем языке;

-         поддержка на этапах отладки и тестирования;

-         разделение программ на части и объединение в требуемом порядке в программу.

ИПО включает системы программирования, редактирования текстов и отладки, редакторы исходных текстов, ассемблеры, компиляторы и интерпретаторы, редактор связей, абсолютный и перемещаемый загрузчик. Из числа этих средств общие для всех компоненты – редактор связей и загрузчик, всегда включаются в состав ОС.

Задача редактора связей – сборка модулей (частей программ), написанных в разное время и, возможно, разными людьми, на разных языках программирования, в единую программу.

Задача загрузчика – размещение выполняемой программы в ОП и настройка перемещаемых (относительных) адресов констант по месту размещения.



Следует отметить, что трансляторы обычно не включаются в состав ОС и поставляются отдельно. Границу между ИПО и БПО трудно установить и они образуют общесистемное ПО (ОСПО). ОС MS DOS поставляется в составе: ОС + утилиты + ASM + отладчик +редактор текстов + редактор связей.

Общесистемное программное обеспечение и аппаратное обеспечение образуют вычислительный комплекс.

Прикладное программное обеспечение (ППО) предназначается для автоматизации проектирования прикладных программных комплексов на основе универсальных программных средств, позволяющих решать целые классы задач.

ППО включает системы управления базами данных (СУБД) и Банков данных (БнД), системы телеобработки (СТО), различные объектно-проблемно-функционально-ориентированные пакеты прикладных программ (ППП), библиотеки программ, программные оболочки и т.д. Все они оформляются или поставляются в виде комплексов программных средств.

ППП – это комплекс взаимосвязанных прикладных программ, позволяющих решать определенный класс задач. Следует отметить, что такие прикладные программы как СУБД, расширяют возможности систем управления данными ОС и СТО (системы телеобработки). Они объединяют информационно-программные ресурсы различных ЭВМ в единое целое и относятся по своему назначению к ОС и лишь их возникновение в более позднее время, в сравнении с ОС, относит их к  ППО (хотя в современные версии ОС встраиваются средства работы в сети и СУБД).

Таким образом, граница между любыми уровнями ПС аморфна, так как в настоящее время существуют как сетевые ОС так и ОС интегрированные с СУБД.

Общая архитектура ВС представляет собой следующий комплекс (см. рис.2.1).



Рис.2.1. Архитектура ВС

Приложение – это программы и программные комплексы, решающие конкретные задачи, и обеспечивающие информационно – вычисительные потребности конечных пользователей ВС, собственно то, ради чего создавалась ЭВМ.

Для работы с системными программами используются следующие языковые средства:

-         средства (возможно и языковые) генерации ОС;



-         системные директивы;

-         язык управления заданием процедур для командных режимов работы

-         командный язык и процедуры диалогового режим, подмножеством которого является операторский язык.

Основным исполнительным компонентным ядром ОС, реализующим главное назначение ОС, - управление ресурсами ВС, является управляющая программа, общая структура и функции которой определяются обобщенной структурой вычислительного комплекса. Обобщенная структура управляющей программы имеет вид, представленный на рис. 2.2..



Рис. 2.2. Обобщенная структура управляющей программы.

Структура ОС

В состав операционной системы входят следующие подсистемы:

1.     Управление процессами.

2.     Управление основной памятью.

3.     Управление внешней памятью.

4.     Управление устройствами ввода/вывода.

5.     Управление файлами.

6.     Защита системы.

7.     Сетевая поддержка.

8.     Командный интерфейс системы.

Управление процессами

Процесс - это программа в стадии выполнения. Процессу необходимы определенные ресурсы, включая процессорное время, память, файлы и устройства ввода/вывода для выполнения своих задач. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением процессами:

-         создание и удаление процессов;

-         приостановку и возобновление процессов;

-         обеспечение механизмов для синхронизации процессов;

-         обеспечение механизмов для взаимодействия процессов.

Управление основной памятью

Память представляет собой большой массив слов или байт, каждый из которых имеет собственный адрес. Это хранилище данных, к которым обеспечивается быстрый доступ, распределенный между процессором и устройствами ввода/вывода.


Основная память - энергозависимое устройство, которое теряет содержимое в случае выключения системы. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением памятью:

-         ведет учет того, какая часть памяти в настоящий момент занята;

-         принимает решение о загрузке процессов при освобождении пространства ОП;

-         распределяет и освобождает пространство ОП в соответствии с действующими стратегиями.

Управление внешней памятью

Поскольку основная память (первичная память) энергозависима и слишком мала для размещения всех данных и программ постоянно, ВС должна обеспечить вторичную память для сохранения основной памяти. Большинство современных ВС используют диски как средство оперативного хранения как программ, так и данных. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением внешней памятью:

-         управление свободным пространством;

-         распределение памяти;

-         управление диском.

Подсистема управления устройствами ввода/вывода

Подсистема ввода/вывода состоит из:

-         системы кэширования - буферирования;

-         общего интерфейса драйверов устройств;

-         драйверов специализированных устройств.

Подсистема управления файлами

Файл представляет собой набор взаимосвязанной информации, определенной при создании. Кроме собственно данных, файлы представляют программы, как в исходном, так и в объектном виде.

Подсистема ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением файлами:

-         создание файлов;

-         создание и удаление подкаталогов;

-         поддержку операций для манипулирования с файлами и подкаталогами;



-         представление файлов во внешней памяти;

-         выгрузку файлов на другие внешние устройства.

Защита системы

Защита системы предполагает наличие механизма для управления доступом программ, процессов и пользователей к системным и пользовательским ресурсам.

Механизм защиты должен:

-         различать авторизованное и не авторизованное использование;

-         определить элементы управления, которые будут задействованы;

-         обеспечить средства реализации.

Сетевое обеспечение

Распределенная система - набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим:

-         увеличить скорость вычислений;

-         увеличить объем доступной информации;

-         повысить надежность.

Командный интерфейс системы

Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:

-         создание и управление процессов;

-         управление вводом/выводом;

-         управление внешней памятью;

-         управление основной памятью;

-         доступ к файловой системе;

-         защиту;

-         поддержку работы сети.

Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имет разные названия:

-         интерпретатор управляющих карт;



-         процессор команд консолей;

-         shell ( в Unix).

Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.

Сервисы операционных систем:

-         выполнение программ - способность системы загружать программу в память и выполнять ее;

-         операции ввода/вывода. Поскольку пользовательские программы не могут исполнять операции ввода/вывода непосредственно, ОС должна обеспечивать некоторые средства для их выполнения;

-         манипуляции с файловой системой выражаются в обеспечении способности читать, писать, создавать и удалять файлы;

-         взаимодействие и обмен информацией между выполняющимися процессами на одном компьютере или на различных системах, связанных посредством сети, осуществляется через распределенную память или передачу сообщений;

-         обнаружение ошибок - гарантия правильности вычислений посредством обнаружения ошибок в процессоре, памяти, устройствах ввода/вывода или в пользовательских программах.


Содержание раздела