Операционныесистемы ЭВМ и трансляторы
Операционная система ОС ЕС предназначена для обеспечения пакетной обработкизаданий, режима разделения времени и совмещения этих режимов.
При этом осуществляется связь оператора с системой,протоколирование хода работы вычислительной системы, защита хранимых данных отнесанкционированного доступа, работа с удаленными терминалами и абонентскимипунктами через каналы связи. Предусмотрена работа как с символьными, так играфическими устройствами ввода – вывода и ряд других функций.
Операционная система может работать как в однопрограммном режиме,так и в режиме мультипрограммирования. При однопрограммном режиме в оперативнойпамяти в каждый момент времени находится только одна выполняемая программа, всезадания выполняются последовательно. Для работы в этом режиме достаточен объемоперативной памяти 64 Кбайт. Режим мультипрограммирования может выполняться сфиксированным и переменным числом задач.
В режиме мультипрограммирования с фиксированным числом задач оперативнаяпамять объемом не менее 128 Кбайт распределяется при генерации системы илиоператором между одновременно выполняемым фиксированным числом заданий не более15. Допускается в рамках задания распараллеливать процесс вычисления путеморганизации одновременно выполняемых задач общим числом не более 255. Междуэтими задачами, выполняемыми в рамках заданий, ресурсы распределяютсядинамически.
В режиме мультипрограммирования с переменным числом задач всересурсы, включая оперативную память, минимальный объем которой составляет 256Кбайт, распределяются между одновременно выполняемыми заданиями динамически.Число заданий может быть произвольным, но не более 15. Число задач,организуемых для распараллеливания вычислений, не лимитируется и определяетсядинамически в соответствии с наличием свободных ресурсов.
Пакетная обработка заданий осуществляется в виде их непрерывногопотока. Все задания размещаются на диске и образуют входную очередь, из которойони выбираются практически без участия оператора, последовательно или поустановленным приоритетам. Переход от обработки одного задания к другомуосуществляется автоматически. Входные очереди могут пополняться в произвольныемоменты времени.
Режим разделения времени реализуется путем выделения определенныхинтервалов времени, называемых квантами. Предназначенные для обработки в этомрежиме задания, называемые квантующимися, находятся в оперативной памятиодновременно.
В течение одного кванта времени обрабатывается одно задание, затемуправление получает следующее квантующееся задание и т.д. Квантующиеся заданиянаходятся в оперативной памяти без вытеснения во внешнюю память вплоть дозавершения их обработки.
На старших моделях ЕС ЭВМ с объемом оперативной памяти не менее512 Кбайт на базе мультипрограммного режима с переменным числом задачреализуется система разделения времени для обслуживания более 100 одновременноработающих удаленных абонентов. В оперативной памяти выделяются разделы,предназначенные для выполнения одного или нескольких заданий. Каждое заданиеполучает управление в течение кванта времени, после чего оно вытесняется вовнешнюю память, а на его место загружается следующее задание, получающееуправление на свой квант времени.
Таким образом, в каждый момент времени в соответствующем разделеоперативной памяти находится одно выполняемое задание, а все остальные,выполняемые в режиме разделения времени, сохраняются во внешней памяти.Последовательную загрузку заданий в оперативную память называют свопингом,
В режиме разделения времени возможна реализация диалога человека сЭВМ, включая разработку и выполнение программ. Операционная система ОС ЕСпозволяет вести диалог и без режима разделения времени; возможна разработкапакетов прикладных программ для программирования в режиме диалога на языкахвысокого уровня.
При разработке систем реального времени следует учитывать ихспецифические особенности, главная из которых заключается в том, что времяреакции системы на поступающие сообщения и сигналы должно быть настолько мало,чтобы успеть обработать содержащиеся в них данные и использовать полученныерезультаты для управления процессом.
Поскольку потоки данных носят случайный характер, система должнабыть всегда в состоянии готовности получать входные сигналы и управляться ими.Повторить поступившие данные невозможно, поэтому потеря их недопустима. Высокуюскорость реакции можно получить при максимальном распараллеливании процессаобработки данных, что требует высокого уровня мультипрограммирования,обеспечиваемого ОС ЕС.
Составной частью ОС ЕС является система программирования, вкоторую входят трансляторы с языков программирования АССЕМБЛЕР, ФОРТРАН IV, АЛГОЛ-60, КОБОЛ, ПЛ/1,РПГ, а также редактор связей и тестран. Программы готовятся с использованиеммодульного принципа. Большие программы сегментируются на меньшие,разрабатываемые и отлаживаемые самостоятельно с последующим объединением впроцессе выполнения или перед ним.
Различают модули исходные, объектные и загрузочные. Исходныймодуль представляет собой программу, записанную на языке программирования.
Объектный модуль представляет собой результат трансляции набора данных,содержащихся в исходном модуле, на машинный язык. Формат объектных модулейодинаков для всех трансляторов, что позволяет объединять модули, написанные наразных языках программирования, и одинаковым образом обрабатывать их редакторомсвязей.
Загрузочный модуль есть объединение объектных модулей, он уже можетбыть помещен в оперативную память для выполнения; редактор связей осуществляетредактирование – замену, исключение и перегруппировку секций программы поуказанию программиста, создание необходимой структуры программы, формирование изапись характеристик загрузочного модуля в оглавление библиотеки и др.
В зависимости от структуры загрузочного модуля он может бытьзагружен в оперативную память целиком или по частям. В ОС ЕС допускаютсяследующие структуры модулей: простая, оверлейная или с перекрытием,динамическая последовательная и динамическая параллельная.
Модуль простой структуры не требует для выполнения задачи передачиуправления никакому другому модулю. Он загружается в оперативную память какединое целое и выполняется от начала до конца, после чего занимаемое им место воперативной памяти освобождается. Такая структура очень эффективна по скоростивыполнения, так как не требует загрузки других частей и передачи им управления.Однако для больших задач загрузить в оперативную память одновременно всепрограммы часто оказывается невозможным.
В оверлейной структуре программа делится логически на сегменты. Впроцессе выполнения программы некоторые сегменты загрузочного модуля, но невсе, находятся в оперативной памяти одновременно. Загружаются они в одну и туже область оперативной памяти последовательно по мере необходимости.
При этом обычно один сегмент – включающий – находится в памяти втечение всего времени выполнения программы. Сменяющие друг друга сегменты – исключающие– обмениваются между собой информацией через область памяти включающегосегмента. По мере усложнения задач, когда число сегментов очень велико или ихвыбор зависит от обрабатываемых данных, фиксированная структуразапланированного редактором связей перекрытия сегментов может оказатьсянеэффективной.
В динамических последовательных структурах операционная системанаходит по имени вызываемый модуль, загружает его в выделенный для него участокпамяти и передает ему управление. Этот модуль может. вызвать другой модуль ит.д.
Когда выполнение некоторого модуля закончено, управлениепередается вызвавшему модулю, а участок памяти, занимаемый выполненным модулем,освобождается.
При необходимости многократного использования модуля он можетсохраняться в оперативной памяти. Динамическая параллельная структура применяетсядля параллельного выполнения программ в мультипрограммном режиме, есликакая-либо из программ предусматривает при выполнении ожидания каких-либособытий, например, завершения операции ввода – вывода. В период ожидания можетвыполняться другая программа.
При необходимости повторного использования программ в режимемультипрограммирования с переменным числом задач используют один из трех типовзагрузочных модулей – однократно используемые, повторно используемые в реентерабельные.Тип модуля формируется редактором связей по указанию программиста.
Однократно используемые модули каждый раз необходимо заново вызывать избиблиотеки, так как во время выполнения модули изменяются, что не позволяетосуществлять их повторное выполнение, это – простейший случай.
Повторно используемые модули обладают свойством самовосстановления. Любая ихчасть перед повторным использованием восстанавливается в исходное состояние.Это позволяет осуществить однократную загрузку модуля в оперативную память имногократное его использование.
Однако изменение модуля в процессе выполнения не позволяетиспользовать его одновременно двумя или более пользователями или задачами.Поступающие на использование модуля запросы ставятся в очередь до освобожденияи восстановления модуля.
Реентерабельные загрузочные модули никак не изменяются во время выполнения.Их можно загружать на защищенные участки памяти, чтобы исключить возможностьслучайных изменений со стороны какой-либо программы пользователя.
Поэтому реентерабельная программа может использоватьсяодновременно несколькими задачами. До окончания выполнения модуля может попрерыванию начаться выполнение другой задачи, а затем продолжиться выполнениепервой. Таким образом, реентерабельные программы позволяют работать с нимиодновременно, параллельно и независимо многим пользователям, что являетсябольшим преимуществом и сильно расширяет возможности систем коллективногопользования.
Версия операционной системы ОС 7.0 ЕС реализует концепцию виртуальноймашины, при которой каждому пользователю предоставляется функциональныйэквивалент реальной ЭВМ – собственная виртуальная вычислительная машина.Система виртуальных машин с помощью операционной системы обеспечивает полнуюнезависимость функционирования отдельных виртуальных машин. Предусмотренысредства разграничения доступа к системе, хранимым или обрабатываемым в нейданным.
Специальная управляющая программа – монитор виртуальных машин – обеспечиваетсогласованное использование технических средств реальной ЭВМ и виртуальныхмашин, управляет их параллельной работой. Предусмотрен диалоговый режим работылюбого одиночного пользователя, а также обмен данными как между различнымиудаленными абонентскими пунктами, так и между абонентскими пунктами ивиртуальной машиной.
Каждая виртуальная машина содержит виртуальный процессор в видечасти времени центрального процессора реальной ЭВМ, а также виртуальнуюоперативную память емкостью до 16 Мбайт, создаваемую с помощью средствдинамического преобразования адресов реальной ЭВМ.
Пользователю предоставляется виртуальный пульт в виде пультовогоустройства реальной ЭВМ либо абонентского пункта со специальными языковымисредствами, а также виртуальные каналы ввода – вывода. Последние реализуются ввиде части времени работы реальных каналов либо их функционированиемоделируется программно.
Вторая составная часть ОС 7.0 ЕС – базовая операционная система – ориентированана режим пакетной обработки. Она может работать на одной или несколькихвиртуальных машинах.
Обеспечивается выполнение программ пользователей, реализуемых. соперационной системой ОС 6.1 ЕС. Важно отметить, что базовая операционнаясистема обеспечивает работу нескольких виртуальных машин при использованииодной копии ее собственных программ. В качестве внешней памяти используютсявиртуальные накопители на магнитных дисках емкостью до 16 Мбайт.
Монитор виртуальных машин поддерживает двухпроцессорныеконфигурации ЭВМ.
Предусмотрен режим присоединенного процессора, при котором обапроцессора работают с общим полем оперативной памяти, а периферийные устройствадоступны только одному из них. Работу виртуальных машин моделируют оба реальныхпроцессора, что увеличивает число или производительность виртуальных машин.
Операционная система ОС 7.0 ЕС реализуется с центральнымпроцессором третьей очереди ЕС ЭВМ с оперативной памятью емкостью не менее 1Мбайт.
Технические возможности малых ЭВМ позволяют создаватьмультимодульные системы, в которых отдельные модули выполняют некоторыевыделенные функции.
Такими модулями могут быть специализированные процессоры,универсальные микропроцессоры, интеллектуальные терминалы. На такие системы,называемые системами с разделением функций, ориентирована операционная системаРАФОС (РАзделения Функций Операционная Система).
Система РАФОС предназначена для организации вычислительногопроцесса в магистрально-модульных комплексах СМ ЭВМ, имеющих от 16 до 248 Кбайтоперативной памяти.
Она ориентирована на АСУ ТП реального времени, автоматизациюнаучных исследований, решение информационных и управленческих задач в системахколлективного пользования и др. Может быть эффективно использована для микроЭВМи персональных компьютеров.
В структуре РАФОС выделяют драйверы внешних устройств, мониторы,файловую систему, системные программы и библиотеки. Используя языки высокогоуровня типа ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, БЕЙСИК, пользователи создают прикладныепрограммы, пакеты и библиотеки.
Драйверы внешних устройств представляют собой специальные программыоперационной системы, обеспечивающие доступ на физическом уровне ко всем периферийнымустройствам и внешней памяти со стороны мониторов РАФОС, системных и прикладныхпрограмм. Система позволяет включать в нее новые драйверы для дополнительныхвнешних устройств, не предусмотренных в РАФОС, а также включать обращение ктаким устройствам непосредственно в программу.
В состав РАФОС входит пять типов мониторов, программно совместимыхснизу вверх:
RM – монитор, постоянно находящийся в оперативной памяти(резидентный) и предназначенный для исполнения в реальном времени отлаженнойпрограммы;
SJ – монитор – монитор реального времени, обеспечивающий самуювысокую скорость реакции на внешнее событие (прерывание). Он функционирует приминимальной конфигурации технических средств, требуя около 4 Кбайт оперативнойпамяти и обеспечивая работу системы в оперативной памяти от 16 до 56 Кбайт.Введение в его состав при генерации многотерминального драйвера позволяетпрограмме работать с несколькими терминалами;
FB – монитор – простейший мультипрограммный монитор РАФОС, являющийсяфоново-оперативным монитором реального времени. Все задачи получают один извосьми приоритетов. Фоновая задача имеет самый низкий приоритет 0, оперативнаязадача – самый высокий 7. Приоритеты от 1 до 6 имеют системные задачи,аналогичные оперативной задаче, но с более низким приоритетом. Все прикладныезадачи и системные с низким приоритетом выполняются в фоновом режиме. Общеечисло задач – не более 8. Монитор использует оперативную память от 32 до 56Кбайт, его резидентная часть занимает около 8 Кбайт.
ХМ – монитор является расширением FB-монитора и обслуживаетдо 8 задач реального времени. Он занимает около 14 Кбайт памяти и обеспечиваетработу с оперативной памятью от 64 до 248 Кбайт.
TS – монитор является самым мощным монитором. Он обслуживает до 30задач пользователей, работающих одновременно с разных терминалов в режимеразделения времени. Предназначен для работы с системой, имеющей от 96 до 248Кбайт памяти; его память около 40–48 Кбайт.
Для вычислительных комплексов, реализуемых на базе микроЭВМ типа «Электроника»используется операционная система ФОДОС (Фоновая Основная Дисковая ОперационнаяСистема).
Вычислительный комплекс строится по модульному принципу, прикотором отдельные функциональные устройства связаны между собой единым каналомобмена информацией.
Система ФОДОС предназначена для решения одним пользователем задачв реальном масштабе времени, в том числе разработки новых программ. При решениизадач возможна пакетная обработка, а также выполнение одновременно двух задач.
При подготовке программ на языке АССЕМБЛЕР имеется возможностьсоздавать программы с оверлейной структурой и автоматизировать процесс отладкипрограмм.
В результате трансляции программ, написанных на языках АССЕМБЛЕРеи ФОРТРАНе, получают объектные форматы, состоящие из набора данных и машинныхкодов и являющиеся объектными модулями. Последние используются в качествевходных для редактора связей.
Операционная система содержит ряд мониторов, имеющих модульнуюструктуру.
Монитор одного задания (SJ) предназначен для выполнения одной программыпользователя. Он обслуживает все периферийные устройства и обеспечиваетвыполнение всех программ системы. Для работы монитора требуется не менее 8К слов;он позволяет использовать до 28К слов оперативной памяти.
Монитор основного фонового задания (FB) позволяет одновременно выполнять дванезависимых задания, из которых одно является основным и имеет приоритет поотношению ко второму – фоновому.
Монитор расширенной памяти (ХМ) дополнительно к возможностям монитора FB может обслуживать до 124Кслов оперативной памяти. Кроме указанных мониторов существуют драйверы;программа обслуживания пользователей, обеспечивающая операции с файлами изагрузку драйверов; интерпретатор командной строки, являющийся составной частьюпрограммы обслуживания пользователя и осуществляющий прием и синтаксическийанализ командной строки пользователя и некоторые другие.
Для динамического распределения памяти ФОДОС использует свопинг.Он заключается в том, что при необходимости выполнение фонового заданияпрерывается, часть его переписывается на диск и на освободившееся местозагружается программа обслуживания пользователей. После обработки запросапользователя восстанавливается то состояние, которое было до прерывания, т.е.соответствующая часть фонового задания загружается на то место, которое она занимала.