Размещено на http://www.allbest.ru/

Операционные системы

План

1. Место операционной системы в АСУ

2. Процессоры и запоминающие устройства (ЗУ)

3. Типичные функции операционных систем

1. Место операционной системы в АСУ

Под операционной системой (ОС) понимают совокупность компонентов общего программного обеспечения, служащих для эффективного и упорядоченного выделения ресурсов отдельным пользователям программно-аппаратурной системы (рис.42). Ресурсом является любой компонент внутри или вне вычислительной системы, применяемый несколькими пользователями поочередно. В понятие ресурса включают помимо физических устройств (процессоров, памяти, устройств ввода-вывода, средств передачи данных и т. п.) также и логические компоненты (отдельные данные, файлы, программы, в частности трансляторы, редакторы, системы управления файлами и базами данных, поскольку эти компоненты могут поочередно применяться несколькими пользователями). В роли основных пользователей ресурсов выступают прикладные процессы, управляющие технологическим оборудованием в реальном масштабе времени. В рамках ОС процесс определяют как совокупность операций, выполняемых строго последовательно. Операции задаются в форме программ.

Рис.1 Место операционной системы в АСУ

Сама процедура выделения ресурса может выглядеть как запуск подпроцесса по требованию прикладного процесса, открытия доступа к данным, необходимым прикладному процессу передачи данных по каналу связи с объектом.

Характерной чертой распределенной АСУ является большое разнообразие ОС, применяемых в программно-аппаратурных комплексах. Оно объясняется прежде всего различиями в проблемной ориентации станций, что отражается на составе управляемых ресурсов. Большинство станций распределенных АСУ не содержит стандартных устройств ввода-вывода и внешней памяти, поскольку прикладные задачи решаются на распределенной сети процессоров, выполняющих ОЗУ-резидентные программы. В связи с этим упрощается, например, управление вводом-выводом, отпадает необходимость в организации выполнения диск-резидентных программ и т.п. Универсальные ОС, настраиваемые на заданную конфигурацию аппаратуры, не нашли широкого применения в комплексах для построения распределенных АСУ из-за чрезмерной избыточности. В связи с этим возникла настоятельная необходимость в обобщении индивидуальных реализаций.

Работа по унификации ОС мультипроцессорных программно-аппаратурных комплексов ведется в рамках комитета ТС8 европейской рабочей группы по промышленным вычислительным системам EWICS (European Workshop on Industrial Computer Systems) .

2. Процессоры и запоминающие устройства (ЗУ)

Главными аппаратурными ресурсами являются процессоры и ЗУ. Поэтому определяющим фактором при построении ОС оказывается выбор архитектуры памяти и способа распределения прикладных программ между процессорами.

В распределенном программно-аппаратурном комплексе АСУ обычно присутствует глобальная память, располагающаяся в центральной операторской станции и обслуживающая всю систему. В ней размещаются данные и программы, необходимые в той или иной форме всем локальным технологическим станциям (например, для целей конфигурирования, рестарта и т. п.). Обычно глобальная память имеет большую емкость и из экономических соображений располагается на дисках, так что время доступа к ней сравнительно велико.

Поскольку глобальная память может удовлетворить лишь несколько десятков запросов в секунду, а процеcсор способен обратиться к ЗУ несколько миллионов раз в секунду, возникает противоречие, которое снимается введением более быстрых промежуточных ЗУ. К ним относится главная (рабочая) память, базирующаяся на блоках оперативной, постоянной или полупостоянной памяти, в которых хранятся данные и программы, требуемые процессорам. Полупроводниковые 3У обеспечивают обслуживание до 2 - 3 млн. обращений в секунду. Если этого недостаточно, вводится сверхбыстродействующая память ограниченной емкости, конструктивно объединяемая с процессором. Совместно с регистрами процессора эти виды ЗУ образуют вертикальную иерархию памяти. В системах со многими параллельно работающими процессорами на каждом уровне возможно дополнительное расчленение памяти по горизонтали на локальные элементы. Такими элементами являются ЗУ, принадлежащие одному процессору. Регистры, естественно, всегда локальны, глобальная память, наоборот, всегда общая. Для сверхбыстрой и главной памяти возможно несколько схем. Объединение блоков сверхбыстрой памяти целесообразно при числе процессоров не более четырех, иначе снижается быстродействие. Для общей главной памяти и локальных сверхбыстрых блоков это число повышается до восьми (рис.43,б). Системы с общей главной памятью называют жестко связанными мультипроцессорными или просто мультипроцессорными системами, поскольку доступ к памяти здесь возможен только по фиксированным маршрутам.

Если процессоры располагают локальной главной памятью, система называется м н о г о м а ш и н н о й, или с в о б о д н о связанной (рис.43,а). Выбор пути коммуникации в такой системе осуществляется в зависимости от состояния аппаратуры.

Возможно также применение комбинированной схемы распределения памяти. Система строится в целом как многомашинная, но содержит подсистемы с жесткими связями, в которых доступ к общей главной памяти координируется сетью связи (рис.43,а и б).

Наличие общей главной памяти существенно упрощает реализацию ОС распределенной программно-аппаратурной конфигурации, однако мощности восьми процессоров, которые может объединить такая схема, в общем случае недостаточно для построения распределенной АСУ. Это ограничение снимается применением ЗУ, имеющих дополнительный вход и допускающих независимое обращение к одной памяти двух процессоров одновременно. В этом случае в комплексе можно выделить (статически или динамически) привилегированный процессор, имеющий прямой доступ к локальным ЗУ, подчиненным другим процессорам, в обход этих процессоров. При необходимости подчиненный процессор сам анализирует, не поступили ли новые данные в его локальную память и представляют ли они для него интерес.

Рис.2 Схемы расположения АСУ:

а - многомашинная (свободно связанная) подсистема;

б - мультипроцессоры (жестко связанная) подсистема

При статическом распределении каждый процессор получает в точности одно задание из общего алгоритма управления и только он один ответствен за его выполнение. Процессор высшего уровня инициирует выполнение заданий, передавая подчиненному процессору исходные данные и принимая от него результаты, контролирует ресурсы и поддерживает связь с объектом.

При динамическом распределении все процессоры имеют доступ к устройству связи с объектом управления и работают параллельно. Процессора высшего уровня не существует; каждый свободный процессор может выполнять очередную программу.

В распределенной АСУ локальные технологические станции обычно жестко связаны через датчики и исполнительные органы с отдельными, как правило, удаленными друг от друга частями объекта управления, которые являются источниками и потребителями данных. Поэтому большинство программ обработки данных измерения и выдачи управляющих воздействий жестко закреплено за технологическими, станциями. Точно так же программы взаимодействия с оператором-технологом закреплены за операторскими станциями. Таким образом, в распределенной АСУ преобладает статическое распределение программ. Однако принцип статического распределения затрудняет использование одного из главных преимуществ многопроцессорного комплекса - возможности реконфигурации программ и аппаратуры при отказах и нарушениях, поэтому иногда применяются компромиссные варианты.

В архитектуре открытых систем функции ОС определены как административные. Они решают задачи распределения ресурсов и выдачи заданий на управление ресурсами. В отличие от терминологии, административные процессы являются частью прикладных, будем различать прикладные программы и ОС. Поскольку ресурсы программно-аппаратурной системы (процессоры, память, данные, обслуживающие программы) распределены по уровням архитектуры, компоненты ОС также присутствуют на каждом уровне, хотя прямое соответствие между функциями операционной системы и функциональными уровнями распределенной АСУ установить трудно, так как архитектура открытых систем отражает прежде всего структуру связи компонентов, а архитектура ОС - структуру управления компонентами (ресурсами). Представляется целесообразным использовать для описания функций ОС принципы, положенные в основу архитектуры открытых систем.

Предлагаемое далее описание уровней ОС распределенных АСУ опирается на единичные работы, посвященные послойному проектированию операционных систем, и поэтому должно рассматриваться лишь как попытка систематизации функций ОС.

Программные компоненты могут быть как частями прикладных программ, написанных пользователем, так и частями ОС, причем доля компонентов ОС увеличивается от верхних уровней к нижним. Сообразно этому прикладной процесс разбивается на подпроцессы, выполняемые с использованием услуг нижележащего уровня, которые в свою очередь состоят из подчиненных подпроцессов, и т. д. Результаты выполнения каждого подпроцесса передаются вызывающему процессу и в конечном итоге оказываются на прикладном уровне. Иерархия параллельных и последовательных процессов составляет логическую структуру АСУ. Процессы являются абстрактными объектами, которые реализуются физически с помощью аппаратуры, данных и программ (ресурсов). В распределенных АСУ один и тот же прикладной процесс может быть реализован различными ресурсами.

программа операционный пользователь

3. Операционная система организует

Операционная система организует выполнение прикладных процессов путем выделения ресурсов. В зависимости от видов ресурсов и возможностей управления ими возникает ряд типичных функций ОС. Для их представления воспользуемся методом послойного описания. Его можно свести к следующим трем принципам:

Слои выделяются по функциональному признаку, т. е. независимо от конкретной реализации ОС.

В отдельный слой объединяются программные компоненты, не связанные друг с другом по управлению, но объединенные в силу первого принципа общим целевым назначением (рис.44). Отсюда вытекает, что компоненты одного уровня не обращаются непосредственно друг к другу.

Рис.3 Иерархически структурированная программная система