2. Многоуровневые системы

Обобщением подхода, изображенного на рис.5.1, является организация операционной системы в виде иерархии уровней. Первой системой, построенной таким образом, была система THE, созданная в Technische Hogeschool Eindhoven (Нидерланды) Э. Дейкстрой (Е. W. Dijkstra) и его студентами в 1968 году. Она была простой пакетной системой для голландского компьютера Electrologica X8, память которого состояла из 32К 27-разрядных слов. Система включала 6 уровней, как показано в табл. 5.1. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы при возникновении прерывания или при срабатывании таймера. Над уровнем 0 система состояла из последовательных процессов, каждый из которых можно было запрограммировать, не заботясь о том, что на одном процессоре запущено несколько процессов. Другими словами, уровень 0 обеспечивал базовую многозадачность процессора.

Таблица 5.1 - Структура операционной системы THE

Уровень	Функция
5	Оператор
4	Программы пользователя
3	Управление вводом-выводом
2	Связь оператор-процесс
1	Управление памятью и барабаном
0	Распределение процессора и многозадачность

Уровень 1 управлял памятью. Он выделял процессам пространство в оператив­ной памяти и на магнитном барабане объемом 512 К слов для тех частей процессов (страниц), которые не помещались в оперативной памяти. Процессы более высоких уровней не заботились о том, находятся ли они в данный момент в памяти или на барабане. Программное обеспечение уровня 1 обеспечивало попадание страниц в оперативную память по мере необходимости.

Уровень 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. Таким образом, все процессы выше этого уровня имели свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизировал потоки информации к ним и от них. Любой процесс выше уровня 3, вместо того чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, мог обращаться к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские програм­мы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора раз­мещался на уровне 5.

Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в операцион­ной системе MULTICS. В ней уровни представляли собой серию концентрических колец, где внутренние кольца являлись более привилегированными, чем внешние. Первоначально предусматривалось 64 кольца, но на практике использовалось только 8. Когда процедура внешнего кольца хотела вызвать процедуру кольца, лежащего внутри, она должна была выполнить эквивалент системного вызова, то есть команду TRAP, параметры которой тщательно проверяются перед тем, как выполняется вызов. Хотя операционная система в MULTICS являлась частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивала защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая или запрещая доступ к индивидуальным процедурам (в действительности к сегментам памяти) для записи, чтения или выполнения.

Стоит отметить, что в системе THE многоуровневая схема представляла собой исключительно конструкционное решение, и все части системы были, в конечном счете, связаны в один объектный файл, а в MULTICS механизм разделения колец действовал во время исполнения на аппаратном уровне.

Преимущество подхода MULTICS заключается в том, что его можно расширить и на структуру пользовательских подсистем. Например, профессор может написать программу для тестирования и оценки студенческих программ и запустить ее в кольце n, в то время как студенческие программы будут работать в кольце n + 1, так что они не смогут изменить свои оценки.

Многоуровневая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». Кроме того, при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе.