14.2. Операционные системы

Центральное место в структуре ПО занимает операционная сис­тема. Она представляет собой "систему программ, предназначенную для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вычислитель­ной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предос­тавляемого пользователям набора услуг" (ГОСТ 15971-84). Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычисления­ми и реализуют такие функции, как планирование к распределение ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными. Объем ОС и число составляющих ее программ в значительной степени определяются ти­пом используемых ЭВМ, сложностью режимов работы ЭВМ и ВС, составом технических средств и т.д.

Применение ОС имеет следующие цели:

• увеличение пропускной способности ЭВМ, т.е. увеличение общего объе­ма работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;

• уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала вре­мени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами получения результатов;

• контроль работоспособности технических и программных средств;

• помощь абонентам и операторам при использовании ими технических и программных средств, облегчение их работы;

• управление программами и данными в ходе вычислений;

• обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и про­граммными средствами.

Любая ОС имеет средства приспособления к классам решаемых пользователями задач и к конфигурации средств, включаемых в ВС. На­значение состава услуг, которыми могут пользоваться абоненты, осуществ­ляется различными методами. В больших ЭВМ формирование конкретной конфигурации ОС осуществляется на нескольких уровнях. Предварительно этот состав определяется при генерации ОС. "Генерация системы - это про­цесс выделения отдельных частей операционной системы и построения час­тных операционных систем, отвечающих требованиям системы обработки данных" (стандарт ISO2382/10-79). Из полного набора программных моду­лей ОС (дистрибутива) формируется специальный набор этих средств, в наибольшей степени отвечающий запросам пользователей. Коррекция же состава используемых услуг может быть выполнена непосредственно перед решением задач операторами вычислительного центра или самими пользо­вателями. Оперативное обращение к средствам ОС возможно и из программ пользователей, путем включения в них специальных директив.

Применительно к ПЭВМ типа IBM PC, у которых пользователь является одновременно и оператором, этот процесс видоизменен. Для каждой ПЭВМ создается так называемый системный диск с соответствующим набором программ дисковой операционной системы (ДОС). При включении компью­тера программой Bios Setup Program (программа начальных установок) обес­печивается запись основных параметров системы, которые сохраняются в CMOS-памяти компьютера. Окончательная настройка ДОС производится файлами autoexec.bat и config.sys, а также выполнением отдельных команд, набираемых в командной строке ДОС.

Для каждого типа ЭВМ возможно использование нескольких типов ОС. Все они имеют несколько версий. Для ЮМ PC распространение получили MS DOS фирмы Microsoft, OS/2Warp и DOS фирмы ЮМ, DR DOS фирмы Digital Research, DOS фирмы Novell. Отличия ОС определяются составом и детализацией системных функций. Более распространенной является MS DOS, она используется в большинстве компьютеров. Система DR DOS имеет очень развитые средства защиты информации и разграничение доступа, что предоп­ределяет ее использование в системах с закрытием обрабатываемой информа­ции. OS/2Warp позволяет более полно использовать возможности самых мощ­ных микропроцессоров при организации вычислительного процесса. Novell DOS ориентирована на работу ЭВМ в сети.

Для уяснения процедур планирования вычислениями конкретизируем по­нятие вычислительного процесса.

Вычислительный процесс в системе представляется в виде последователь­ности, как правило, ветвящейся, простых процессов - одноразовых работ, вы­полняемых ресурсами ВС. Ресурсы ВС - это средства, необходимые для вычис­лений. К ресурсам ВС в первую очередь относят машинное время ЭВМ (про­цессоров), объемы внешней и особенно оперативной памяти, любые внешние устройства, подключаемые к ВС, вплоть до каналов связи. Ресурсами являют­ся и программные средства как общего, так и специального ПО и даже отдель­ные информационные массивы, например базы данных, библиотеки и т.д.

Функции управления ресурсами осуществляет операционная система путем построения специальных управляющих таблиц, отражающих наличие и состояние ресурсов. Связь процессов в цепочки осуществляется по событи­ям, где событие - это изменение состояния ресурса, изменение его характе­ристик. Именно по событиям ОС включается в работу и адекватно реагирует на сложившуюся ситуацию.

Управление вычислительным процессом практически не может быть оп­тимизировано, если не считать "заложенной стратегии" в саму ОС, так как для этого просто отсутствуют необходимые данные.

Основу любой ОС составляет управляющая программа, основными функциями которой являются: управление заданиями, управление зада­чами - управление ходом выполнения отдельных программ, и управле­ние данными.

Задание - это требование пользователя на выполнение некоторого объема вычислительных работ. Процедуры управления заданиями обеспечивают пред­варительное планирование работы ЭВМ и оперативную связь пользователя и оператора с машиной во время работы. Планирование работы включает: ввод пакетов или одиночных заданий, формирование очередей заданий в соответ­ствии с их приоритетами, активизацию (запуск) и завершение заданий.

Каждое задание реализуется как определенная последовательность от­дельных программ - задач. Задачи образуют отдельные программы вместе с обрабатываемыми ими данными. Например, типовое задание пользователя включает этапы трансляции, редактирования и собственно выполнения сфор­мированной машинной программы. На каждом из этих этапов выполняется некоторая программа (задача), обрабатывающая определенные данные. Ком­плекс программ управления задачами обеспечивает автоматическое выпол­нение последовательности программ каждого задания пользователя.

Управление задачами требует распределения и назначения ресурсов (уп­равления временем работы процессора, распределения оперативной памяти для программ пользователей и программ ПО, синхронизации выполнения задач и организации связей между ними, управления очередностью задач, внешними устройствами, защиты задач от взаимных помех). Ведущей программой уп­равления задачами является управляющая программа-диспетчер: супервизор, базовый модуль ДОС или др. Часто используемые модули образуют ядро ОС, которое постоянно находится в оперативной памяти и быстро реагирует на изменяющиеся условия функционирования. Примером такой программы мо­жет служить командный процессор command.com для ПЭВМ типа ЮМ PC. Остальные программы ОС вызываются из ВЗУ в оперативную память ЭВМ по мере их надобности в вычислительном процессе.

Набор программ управления данными обеспечивает процессы организа­ции, идентификации, размещения в ОП и на ВЗУ, хранения, построения биб­лиотек и выборки всех данных, которые могут обрабатываться в ЭВМ.

В ПЭВМ программы управления заданиями представлены достаточно сла­бо, так как они изначально создавались как однопользовательские и однозадач­ные ЭВМ. С появлением ОС типа Windows, ориентированных на многозадач­ные и многопользовательские режимы, появились и эти процедуры. Программы управления задачами и данными представлены достаточно полно. Так, ядро MS DOS включает следующие системы: файловую, управления памятью, управле­ния программами, связи с драйверами устройств для управления серийной ап­паратурой, обработки ошибок, службы времени, общения с оператором.

С труктурно ОС IBM PC состоит из следующих элементов, представ­ленных на рис.14.3. Кроме программных компонентов, указанных на рисунке, к ДОС относят еще вспомогательные файлы autoexec.bat и config.sys. Они предназначаются для настройки на конкретные режимы работы.

Рис. 14.3. Структура ДОС ПЭВМ

Программа начальной загрузки (Boot Record) находится в первом секторе на нулевой дорожке системного диска. Она занимает объем 512 байт. После включения компьютера и его проверки постоянный модуль BIOS формирует вызов данной программы и ее запуск. Назначением программы начальной загрузки является вызов модуля расширения IO.sys и базового модуля ДОС MS DOS.sys.

Базовая система ввода-вывода (BIOS) является надстройкой аппаратур­ной части компьютера. Постоянный модуль BIOS отвечает за тестирование компьютера после его включения, вызов программы начальной загрузки. Модули BIOS обрабатывают прерывания вычислительного процесса нижне­го уровня и обслуживают стандартную периферию: дисплей, клавиатуру, принтер, дисководы.

Модуль расширения BIOS обеспечивает подключение к компьютеру до­полнительных периферийных устройств, изменение некоторых параметров ДОС, замещение некоторых стандартных функций, загрузку командного про­цессора и его запуск.

Базовый модуль ДОС (MS DOS.sys или IBM DOS.com) отвечает за рабо­ту файловой системы, обслуживает прерывания верхнего уровня (32...63), обеспечивает информационное взаимодействие с внешними устройствами.

Командный процессор (command.com) предназначен для выполнения ко­манд, загружаемых в командную строку ДОС. Все команды ДОС делят на внутренние и внешние. Внутренние команды содержатся внутри самого файла command.com. Внешние команды - это требования запуска каких-либо про­грамм, находящихся на дисках. Кроме этого, командный процессор выпол­няет команды файла autoexec.bat, если он находится на системном диске.

Файл autoexec.bat содержит список команд, выполнение которых позво­ляет развернуть в оперативной памяти компьютера некоторый набор вспомо­гательных программ или пакетов для обеспечения последующей работы пользователя.

Файл config.sys отражает специфические особенности формирования конфигурации компьютера, т.е. состава его технических и программных средств.

В связи с постоянным совершенствованием ПЭВМ и улучшением их ха­рактеристик (быстродействия и емкости памяти) все большее число ЭВМ используют более сложные интегрированные ОС типа MS Windows 95, OS/2 Warp и им подобные.