Операционные системы

Оглавление

1. Классификация операционных систем по особенностям аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Обратим внимание на то, что наибольший интерес в настоящее время вызывают следующие группы операционных систем:

• операционные системы для мощных серверов;
• операционные системы для рабочих станций и персональных компьютеров;
• операционные системы для карманных компьютеров.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем [2].

2. Управление ресурсами в автономных однопроцессорных компьютерах

Управление памятью

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск (когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов) и возвращение их в оперативную память  (когда в ней освобождается место), а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Для идентификации команд и переменных используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружен процесс, то транслятор присваивает командам и переменным виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что процесс  будет размещен, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре ВМ, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в машине [4].

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены  команды и переменные. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами.

В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа – перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать процесс, и предоставленной транслятором информации об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку процесса, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что процесс загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения процесса при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение процесса во время выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает процесс к первоначально выделенному участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае – каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться процесс, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Самым простым способом управления оперативной памятью является  разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную администратором во время старта системы или во время ее генерации. Очередной процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу. Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

1) выбирает свободный раздел, размер которого достаточен для  размещения поступившего на выполнение процесса;

2) осуществляет загрузку процесса и настройку адресов.

При очевидном преимуществе – простоте реализации – данный метод имеет существенный недостаток, которым является его «жесткость». Так как в каждом разделе может размещаться только один процесс, то степень «многозадачности» заранее ограничена числом разделов не зависимо от того, какой размер требуется процессам. Другим существенным недостатком является то, что в предлагаемой схеме очень часто может наблюдаться так называемая фрагментация памяти, то есть потери части памяти разделов вследствие того, что процессы не полностью занимают выделенные им разделы. В  случае распределения памяти разделами переменной величины память ВМ не делится заранее на разделы. Сначала вся оперативная память свободна. Каждому вновь поступившему процессу выделяется необходимая память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то процесс не принимается на выполнение и стоит в очереди. После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

Задачами операционной системы при реализации данного метода управления памятью являются следующие:

1) ведение таблиц свободных  и занятых областей, в которых  указываются начальные адреса  и размеры участков памяти;

2) при поступлении нового  процесса – анализ запроса, просмотр  таблицы свободных областей и  выбор раздела, размер которого  достаточен для размещения поступившего процесса;

3) загрузка процесса в  выделенный раздел и корректировка  таблиц свободных и занятых областей;

4) после завершения процесса  – корректировка таблиц свободных  и занятых областей.

 Выбор раздела для  вновь поступившего процесса  может осуществляться по разным  правилам, таким, например, как «первый  попавшийся раздел достаточного размера», или «раздел, имеющий наименьший достаточный размер», или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер». Все эти правила имеют свои преимущества и недостатки.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами метод распределения памяти разделами переменной величины обладает гораздо большей гибкостью, но ему также присуща фрагментация памяти. Это связано с образованием через определенный промежуток времени функционирования системы некоторого числа несмежных участков свободной памяти (фрагментов), образовавшихся в результате выгрузки выполнившихся процессов, и загрузки на их место новых процессов, требующих меньшие объемы памяти. При этом может возникнуть ситуация, при которой ни для одного  из вновь поступающих процессов не будет иметься достаточного  участка памяти, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый процессу объем памяти.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую  свободную область. В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется «сжатием». Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь поступившего процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором – реже выполняется процедура сжатия. Так как процессы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.  Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто является тем недостатком, который преобладает над  преимуществами данного метода.

Развитие методов организации вычислительного процесса  привело к появлению метода, использующего так называемую виртуальная память. В общем случае виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим некими свойствами, которыми он в действительности не обладает.

Таким образом, виртуальная память – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы,  которые для своей реализации требуют такие объемы  памяти, которые превосходят реально существующие объемы оперативной памяти ВМ. Для этого виртуальная память решает следующие задачи:

1) размещает процессы в  запоминающих устройствах разного  типа, например, часть – в оперативной памяти, а часть – на диске;

2) перемещает процессы  по мере необходимости между  запоминающими устройствами разного  типа, например, подгружает процесс  или его часть с диска в оперативную память;

3) преобразует виртуальные  адреса в физические.

Наиболее распространенными способами реализации виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.

При страничном распределении памяти виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера. Эти части называют виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью. Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками). Размер страницы обычно выбирается равным степени числа 2, например: 512, 1024 и т.д.  Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные – на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск.

При активизации очередного процесса в специальный регистр   процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса. При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.