Особенности операционных систем для компьютеров общего назначения (mainframes)
Пакетный режим. Более подробное рассмотрение операционных систем начнем с особенностей ОС для mainframes.
Один из основных режимов работы ОС – пакетный режим (batch mode) – режим пропуска и одновременной обработки пользовательских заданий (jobs) – программ, введенных с внешнего носителя или с терминала, с учетом их приоритетов и требуемых ими ресурсов. При этом ОС пытается максимально сэкономить время пропуска пакета заданий, формируя их оптимальным образом, - например, запускать на процессоре короткое задание, пока более длинное выполняет ввод-вывод.
Уже в самых первых ОС была реализована другая основная возможность - автоматическая передача управления от одного задания к другому при завершении или прекращении предыдущего задания. Для этого ОС использует резидентный(постоянно находящийся в памяти по фиксированным адресам) монитор – программу, осуществляющую поочередную передачу управления от задания к заданию, по мере их завершения. Алгоритм работы монитора следующий. При запуске компьютера управление передается монитору, который выбирает очередное задание и передает ему управление. По окончании задания управление возвращается монитору, и т.д.
Распределение памяти в однозадачной ос с пакетной обработкой заданий
Рис. 2.1. Распределение памяти в простой системе пакетной обработки
Оно очень простое: операционная система занимает постоянно смежную область памяти (например, по меньшим адресам), остальная область памяти отдана пользовательской программе. Такая операционная система является однозадачной– обрабатывает, выполняет и хранит в оперативной памяти в каждый момент времени только одно пользовательское задание (программу). По окончании текущего задания ОС загружает в освободившуюся область памяти следующее задание. Разумеется, такой режим работы недостаточно удобен и эффективен, так как при выполнении задания возможны прерывания на выполнение ввода-вывода и другие паузы, во время которых ОС могла бы дать возможность выполняться другим очередным заданиям.
Ос пакетной обработки с поддержкой мультипрограммирования
Более развитые операционные системы поддерживают режим мультипрограммирования – одновременной обработки и размещении в памяти сразу нескольких пользовательских заданий. Распределение памяти в такой системе изображено на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Распределение памяти в системе пакетной обработки с поддержкой мультипрограммирования
В такой системе ОС занимает по-прежнему смежную область памяти по меньшим адресам, однако вслед за областью ОС размещаются несколько смежных областей памяти, занимаемых пользовательскими программами. Их число и размеры могут меняться.
Особенности ОС с поддержкой мультипрограммирования следующие.
Использование программ ввода-вывода, поддерживаемых операционной системой. При однозадачном режиме (см. предыдущий параграф) подобной необходимости не возникало: каждое очередное задание получало в полное распоряжение все ресурсы компьютера, в том числе – устройства ввода-вывода. При выполнении последнего процессор простаивал. В мультипрограммном режиме уже возникает потребность в реализации специальных подпрограмм для ввода-вывода, которые могли бы вызываться пользователем или операционной системой в необходимых случаях. Вызов в одной из пользовательских программ подпрограммы ввода-вывода означает для ОС возможность во время его выполнения предоставить процессор другому пользовательскому заданию.
Управление памятью. Поскольку заданий в памяти может быть несколько, причем число и размеры их областей могут меняться, перед операционной системой возникает задача распределения памяти для пользовательских заданий – выделения памяти для загружаемого пользовательского задания и ее освобождения после завершения каждого задания. При решении этой классической задачи возникает целый ряд проблем: хранение списков свободной и занятой памяти, реализация оптимального алгоритма поиска и выделения свободной области памяти, реализация освобождения памяти, фрагментация - дробление свободной памяти на мелкие участки, вследствие неточного совпадения размеров свободных и требуемых участков памяти и др. Все эти проблемы и общепринятые алгоритмы их решения подробно описаны в классической монографии Д. Кнута [15] и будут рассмотрены подробно в курсе.
Планирование загрузки процессора (CPU scheduling) – реализация в ОС алгоритмов выбора очередного задания из набора загруженных в память заданий и выделения кванта времени центрального процессора очередному выбранному заданию. В отличие от однозадачного режима, в режиме мультипрограммирования операционная система, таким образом, в определенные моменты времени должна сделать выбор, какое из нескольких загруженных в память заданий запустить. Алгоритмы планирования и диспетчеризации процессов подробно рассмотрены ниже в данном курсе.
Управление внешними устройствами и буферизация ввода-вывода. В однозадачном режиме загруженная в память пользовательская программа для вывода на печать могла выполнить специальную машинную команду, которая выводила на устройство печати очередную строчку, что не вызывало проблем и не приводило к какой-либо путанице, вследствие монопольности "владения" компьютером очередным заданием. Однако в мультипрограммном режиме ситуация иная. Если сохранить тот же режим вывода на печать, то на печатающее устройство могут быть выведены фрагменты, принадлежащие разным заданиям, что недопустимо. Для группировки и отделения выводимой информации различных заданий друг от друга в мультипрограммной ОС используется буферизация вывода (spooling) – хранение для каждого задания буфера его вывода (в виде области памяти или файла), накопление в буфере выводимой заданием информации и ее вывод полностью на устройство (принтер) при завершении задания.