4.3. Уровни операционной системы и виртуальность
В обычных ОС, обеспечивающих мультипрограммирование, основная память делится на две области, каждая из которых соответствует одному уровню управления. Структура двухуровневой ОС представлена на схеме (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Уровни элементарной операционной системы
Средства первого уровня определяют выполнение программ второго уровня даже в том случае, если в области памяти пользователя находится несколько задач. В системе, использующей виртуальную память, применяется трехуровневая ОС. Резидентный супервизор управляет распределением «реальных» ресурсов и все время находится в ОЗУ. Виртуальная память каждого пользователя делится на две области:
- область привилегированной управляющей программы, обеспечивающей обычное обслуживание;
- область программ пользователя.
Резидентский супервизор и управляющие программы виртуальной памяти существенно отличаются друг от друга.
Pезидентский супервизор:
- в системе присутствует только один резидентский супервизор независимо от количества центральных обрабатывающих устройств;
- работает в состоянии «супервизор»;
- его обработка выполняется без настройки адресов;
- не подвергается временному квантованию.
Управляющие программы виртуальной памяти второго уровня имеют следующие характеристики:
- каждому пользователю приписана одна управляющая программа внутри виртуальной;
- наличие памяти второго уровня, работающей в состоянии «задача»;
- выполняются в режиме настройки адресов (т.е. могут находиться в виртуальной памяти);
- подвергаются временному квантованию;
- могут постранично переноситься в ОЗУ и удаляться из ОЗУ.
3-й уровень
2-й уровень
2-й уровень
Рис. 4.7. Схема трехуровневой операционной системы
Основное различие между первым и вторым уровнями состоит в том, что программы первого уровня постоянно находятся в ОЗУ и работают в состоянии «супервизор».
Основное различие между вторым и третьим уровнями в том, что программы второго уровня работают с нулевым ключом защиты слова состояния программы (PSW). Программы третьего уровня имеют ненулевой ключ защиты, т.е. управляющие программы второго уровня защищены от доступа программ третьего уровня. Отдельные задачи третьего уровня защищены друг от друга с помощью механизма динамического преобразования адресов и таблицы страниц (рис. 4.7).
В высокоуровневых операционных системах объектный модуль преобразуется в загрузочный, который помещается в библиотеку загрузочных модулей программой Редактор связей.
Для выполнения загрузочный модуль выбирается из библиотек, обрабатывается специальной системной программой выборки, настраивается по месту и передается на выполнение. Таким образом, путь исходной программы до рабочего исполнения увеличивается с увеличением «интеллектуальности» операционной системы.
Понятие «виртуальности» определяет кажущуюся материальность, например, виртуальная память есть единое для пользователя пространство памяти с непрерывной адресацией, но физически расположенной на различных носителях. Система адресации позволяет определить, на каком именно носителе в данный момент располагается рабочая информация. В то же время понятие виртуальности определяет уровень наслоения программного обеспечения на аппаратуру вычислительных систем. Графически иерархию машин можно представить как рис.4.8.
Операционные системы создают виртуальные интерфейсы для пользователей, и в этом случае они последовательно транслируют с более высоких уровней в низкоуровневые эквиваленты, пока не будет достигнута реальная ЭВМ. Последовательность трансляции можно схематично представить следующим образом. Пусть М1, М2, М3 – машины, определяемые программным загрузчиком S0, ассемблером S1 и компилятором S2 соответственно (рис. 4.9).
Рис. 4.8. Иерархия машин: Мi –машина, Si – программное обеспечение на i-том уровне, S0 – программный модуль на языке реальной ЭВМ
Программа на языке высокого уровня X4 транслируется последовательно в программу на языке ассемблера Х3, перемещаемую машинную программу Х2 и абсолютную программу на машинном языке Х1, которая затем транслируется (выполняется) для получения выходной строки Х0.
Рис. 4.9. Трансляция х4 в х0