25. Система назначений – смысл и применение.

Система, работающая с логическими устройствами, обычно имеет три типа назначения логическим устройствам физи­ческих устройств:

- стандартное;

- постоянное;

- временное.

Стандартным (СН) называется назначение, которое осуществ­ляется во время генерации системы. Оно характеризуется тем, что приня­тое соответствие логических и физических устройств вступает в силу с момента выполнения процедуры первоначальной загрузки, и сохраняется на все время работы системы.

С помощью директив на­значения может быть выполнено постоянное или временное назначение.

Постоянное назначение (ПН) отменяет СН и в дальнейшем все время работы системы действует как стандартное. В каждый конкретный момент времени СН и ПН равнозначны по своему использованию системой. Они введены для того, чтобы различать назначения, установленные во время генерации системы от назначений, производимых в процессе работы с этой системой.

ПН может быть отменено или новым ПН, или процедурой первоначальной загрузки, во время которой восстанавливается СН.

Временное назначение (ВН) сохраняет действие только в пределах одного за­дания, и на это время заменяет СН и ПН. По окончании задания про­граммы, управляющие заданиями, отменяют все ВН, и в силу всту­пает ПН или СН, т.о. ПН сохраняются от задания к заданию.

Следует помнить, что:

- одно и тоже физическое устройство не должно назначаться одновре­менно разным разделам памяти (кроме SYSRES и SYSLOG);

- для системного логического устройства должно назначаться физиче­ское устройство из числа допустимых для него типов физических уст­ройств: SYSRES или SYSLNK – всегда только диск, SYSIN – магнитная лента, диск, клавиатура, и т. д.

Совокупность заказанных услуг формирует определенный характер использования системы – режим работы системы. Режим, заданный при генерации, называется стандартным и поддерживается программами управления заданиями. Стандартный режим может быть изменен программистом с помощью управляющей информации на время своего задания, затем система восстанавливает стандартный режим.

26. Понятие архитектуры иерархической ос. Состав ос как набор процессов и объектов

Под архитектурой операционной системы понимают структурную и функциональную организацию ОС на основе некоторой совокупности программных модулей. В состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т.д.

На архитектуру ранних операционных систем обращалось мало внимания: во-первых, ни у кого не было опыта в разработке больших программных систем, а во-вторых, проблема взаимозависимости и взаимодействия модулей недооценивалась. В подобных монолитных ОС почти все процедуры могли вызывать одна другую. Такое отсутствие структуры было несовместимо с расширением операционных систем. Первая версия ОС OS/360 была создана коллективом из 5000 человек за 5 лет и содержала более 1 млн строк кода. Разработанная несколько позже операционная система Mastics содержала к 1975 году уже 20 млн строк [17]. Стало ясно, что разработка таких систем должна вестись на основе модульного программирования.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой унифицированной архитектуры ОС не существует, но известны универсальные подходы к структурированию ОС. Принципиально важными универсальными подходами к разработке архитектуры ОС являются [5, 10, 13, 17]:

• модульная организация;

• функциональная избыточность;

• функциональная избирательность;

• параметрическая универсальность;

• концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;

• разделение модулей на две группы по функциям: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;

• разделение модулей ОС на две группы по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций;

• реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного режима (режима ядра – Kernel mode), или режима супервизора (supervisor mode), и пользовательского режима (user mode), или режима задачи (task mode);

• ограничение функций ядра (а следовательно, и количества модулей ядра) до минимального количества необходимых самых важных функций.

Состав ОС как набор процессов и объектов

Современные операционные системы содержат сотни и тысячи модулей (например, W2000 содержит 29 млн строк исходного кода на языке С). Функции ОС обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам. Совокупности модулей, выполняющих такие группы функций, образуют подсистемы операционной системы.

Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

Управление процессами. Подсистема управления процессами непосредственно влияет на функционирование вычислительной системы. Для каждой выполняемой программы ОС организует один или более процессов. Каждый такой процесс представляется в ОС информационной структурой (таблицей, дескриптором, контекстом процессора), содержащей данные о потребностях процесса в ресурсах, а также о фактически выделенных ему ресурсах (область оперативной памяти, количество процессорного времени, файлы, устройства ввода-вывода и др.). Кроме того, в этой информационной структуре хранятся данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе: текущее состояние (активное или заблокированное), приоритет, состояние регистров, программного счетчика и др.

Управление памятью. Подсистема управления памятью производит распределение физической памяти между всеми существующими в системе процессами, загрузку и удаление программных кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса. Стратегия управления памятью складывается из стратегий выборки, размещения и замещения блока программы или данных в основной памяти. Соответственно используются различные алгоритмы, определяющие, когда загрузить очередной блок в память (по запросу или с упреждением), в какое место памяти его поместить и какой блок программы или данных удалить из основной памяти, чтобы освободить место для размещения новых блоков.

Управление файлами. Функции управления файлами сосредоточены в файловой системе ОС. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла – простой неструктурированной последовательности байтов, имеющих символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы – каталоги более высокого уровня. Файловая система преобразует символьные имена файлов, с которыми работает пользователь или программист, в физические адреса данных на дисках, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

Управление внешними устройствами. Функции управления внешними устройствами возлагаются на подсистему управления внешними устройствами, называемую также подсистемой ввода-вывода. Она является интерфейсом между ядром компьютера и всеми подключенными к нему устройствами. Спектр этих устройств очень обширен (принтеры, сканеры, мониторы, модемы, манипуляторы, сетевые адаптеры, АЦП разного рода и др.), сотни моделей этих устройств отличаются набором и последовательностью команд, используемых для обмена информацией с процессором и другими деталями.

Защита данных и администрирование. Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. Для каждого пользователя системы обязательна процедура логического входа, в процессе которой ОС убеждается, что в систему входит пользователь, разрешенный административной службой. Администратор вычислительной системы определяет и ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных действий, т.е. определяет их права по обращению и использованию ресурсов системы.

Интерфейс прикладного программирования. Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к операционной системе, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым обладает только ОС. Возможности операционной системы доступны программисту в виде набора функций, который называется интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). Приложения обращаются к функциям API с помощью системных вызовов. Способ, которым приложение получает услуги операционной системы, очень похож на вызов подпрограмм.

Пользовательский интерфейс. ОС обеспечивает удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для пользователя (программиста, администратора). В ранних ОС интерфейс сводился к языку управления заданиями и не требовал терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выполнения задания выводились на печатающее устройство.

27. 2-х уровневая и 3-х уровневая ОС: состав, назначение, осуществление работы.

Двухуровневая ОС.

В ОС с мультипрограммированием основная память делится на две области, каждая из которых соответствует одному уровню управления, образуя двухуровневую ОС. Двухуровневая ОС имеет следующую иерархическую организацию:

Уровень супервизора 1) обработчик прерываний 2) система управления вводом/выводом 3) комплекс программ для управления заданиями 4) комплекс программ для управления задачами

Уровень пользователя 1) проблемные программы 2) языковые трансляторы 3) вспомогательные программы

Трехуровневая ОС. Трехуровневая ОС имеет следующую иерархическую организацию:

1 уровень. Резидентный супервизор.

2 уровень. Управляющая программа.

3 уровень. Программа пользователя.

Управляющая программа и программа пользователя располагаются в основной памяти, выделенной для виртуальных страниц.

В системе, использующей виртуальную память, приходится обращаться с двумя областями памяти: основной и виртуальной. Для управления этими двумя типами памяти используется трехуровневая ОС. Резидентный супервизор управляет распределением реальных ресурсов, и все время находится в ОЗУ. Виртуальная память каждого пользователя делится на две области:

1) Область привилегированной управляющей программы, которая обеспечит стандартное обслуживание – второй уровень управления.

2) Область программы пользователя, которая в данном случае образует третий уровень.

Резидентный супервизор и управляющая программа виртуальной памятью отличаются друг от друга существенными особенностями.

Резидентный супервизор имеет следующие характеристики:

1) В системе существует только один резидентный супервизор.

2) Он работает независимо в состоянии «супервизор».

3) Его обработка выполняется в стандартном режиме системы.

4) Он не подвергается квантованию.

5) Он постоянно находится в ОЗУ.

Управляющая программа имеет следующие характеристики:

1) Каждому пользователю приписана одна управляющая программа.

2) Эти программы работают в состоянии задача.

3) Они выполняются в режиме настройки адресов.

4) Они подвергаются квантованию.

5) Они могут постранично храниться в ОЗУ или удаляться из ОЗУ.

Основное различие между первым и вторым уровнями состоит в том, что программы первого уровня работают в состоянии супервизор и постоянно находятся в ОЗУ. Основное различие между вторым и третьим уровнями состоит в том, что программы второго уровня работают с 0 ключом защиты слова состояния программы, тогда как программы третьего уровня работают с ненулевым ключом защиты.

Отдельные задачи третьего уровня защищены друг от друга механизмом динамического преобразования адресов и таблицы страниц. Если коллективно используется одна или несколько страниц, то записи таблиц страниц указывают на один и тот же блок памяти. Приписывание ключей памяти к блокам основной памяти выполняется в соответствии с принятыми соглашениям