Системы. Понятие и структура иерархической операционной

Понятие и структура иерархической операционной

Средства операционной системы (ОС), способные обеспечить широкий спектр работ в современных ВС, должны обладать гибкой архитектурой. Под архитектурой системы понимается набор разных уровней, составляющих определенную сферу вычислений, реализация которых осуществляется вычислительными процедурами соответствующего уровня. Архитектура ОС будет следовать иерархическим принципам. Совокупность вычислительных функций, расположенных на различных уровнях системы, образует иерархическую структуру, которая организует прохождение задач пользователя в ВС и обеспечивает мультипрограммность, мультидоступность и параллельность вычислений. Основной единицей работы в системе является процесс. Процесс − это абстрактное понятие, выражающее изменение центральным процессором (ЦП) некоторого множества состояний, которое выражается определенным набором переменных.

Вычислительный процесс в абстрактной машине есть пространство состояний, функций действия в этом пространстве и некоторых особых элементов пространства состояний, называемых начальными. Функция действия − это функция, которая отображает состояние в действии. Каждый вычислительный процесс характеризуется набором действий, набором информационных объектов, последовательностью обработки и начальным состоянием.

Состав ОС может быть представлен как набор процессов и объектов, действующих на разных уровнях и находящихся в определенном отношении между собой. Пусть

Σ= {ω₁, ω₂, … ω _n } есть множество объектов в системе, а N = { P ₁, P ₂, … P_n } есть множество процессов в системе. Для определенности считается, что множества конечны. Каждый объект определен как

ω _i ={ U, S }, i =1,2,..., n, где U – имя объекта, S – состояние объекта.

Состояния образуют множества, называемые фрагментами состояний. Каждый фрагмент имеет собственное имя. Доступ к фрагменту осуществляется по имени. Фрагменты состояний некоего объекта представляются ориентированным графом. Доступ к каждому ресурсу осуществляется по имени. Отображение F: N →Σ есть однозначное соответствие, т.е. имя фрагмента можно определить как отображение во множестве фрагментов состояний. В соответствии с этим можно определить операцию в ОС как изменение состояний:

U:= S → n (установить значение S фрагмента n). Если процесс P ₁ отображает состояние S в подмножество Σ, содержащее состояние T, S → T (процесс P ₁ переводит состояние S в состояние T), то смена состояний из S в T есть операция процесса P_i. Любая последовательность операций может быть объявлена новой операцией. Процесс характеризуется информацией, показывающей принадлежность его к определенной ступени иерархии, и его возможностями в ОС, выраженными в дескрипторе процесса, включающего в себя

- ступень иерархии, на которой находится процесс;

- состояние процесса, определяющее текущую способность к выполнению в ЦП (например, ждущее, активное, приостановленное);

- область доступности данного процесса (ресурсы, предоставленные процессу, и вид доступа к этим ресурсам);

- область сохранения состояния самого процесса.

Состояние системы определяется действиями, производимыми процессами, которые могут затребовать, захватить и освободить ресурсы. Под ресурсом системы в общем случае понимается и центральный процессор (ЦП). Этими действиями характеризуются процессы в системе.

Рассмотрение структуры системы как совокупности вложенных уровней, каждый из которых является составной частью другого уровня, основано на размещении процессов системы в иерархии, где каждый уровень определяет последовательно более абстрактную вычислительную машину. Методология иерархических абстрактных машин позволяет располагать функции ОС в последовательных уровнях вычислений, устанавливая четкую связь между уровнями и между различными процессами внутри уровней. В системе могут существовать несколько независимых мониторов, функционирование которых обеспечивается с помощью системных функций, расположенных во внутренних слоях. Данная схема реализации имеет определенные преимущества: большая автономность работы отдельных мониторов, упрощение схемы организации управления работы, независимость при отладке, модификации и замене процессов. Проблемой является определение набора системных функций, которые целесообразно располагать на определенном уровне вычисления, а также выбор количества уровней при организации системы.

Можно представить структуру иерархической ОС, построенной в виде совокупности вложенных уровней, где П₁ (L_i), …, П _k (L_i ) – процессы, реализующие системные функции на i -м уровне вычислений (i =1, 2, 3). На уровне (L ₄ ) выполняются процессы П₁ (L ₄ ), …., П _k (L ₄ ), реализующие вычислительные функции прикладной задачи.

Задачи, решаемые в ВС, подразделяются на системные и прикладные. Системные задачи представляют собой средства управления ходом вычисления в ВС, которые организуют прохождение вычислений в системе. Прикладные задачи направлены на решение проблем стоящих перед пользователями. Задачи разбиваются на ряд отдельных процессов, которые выполняются на различных уровнях вычислений. Каждая директива представляется одним или несколькими процессами, выполняющими функции директивы. Каждый высший слой математического обеспечения вместе с нижележащими слоями представляют собой некоторую виртуальную машину. Процесс виртуальной машины определенного уровня получает в свое распоряжение все средства виртуальных машин нижних уровней. На каждом уровне вычислений реализуются определенные системные функции. Имеются несколько уровней вычислений, на которых осуществляются следующие системные функции.

На аппаратном уровне происходит выполнение машинных команд.

На уровне L ₁ (см. рис. 5.1) осуществляются функции управления прохождением процессов, выполняемых в привилегированном режиме работы ЦП процессами П₁ (L ₁ ), …, П _k (L ₁ ).

Рис. 5.1. Структура планировщика в иерархической системе

На уровне вычислений супервизора реализуются действия по возникновению, уничтожению и синхронизации прохождений процессов, работающих во всех сферах вычислений. На этом уровне осуществляются также функции, обеспечивающие безопасность вычислений с точки зрения возникновения тупиковых ситуаций, которые могут сложиться при создании новых процессов.

На уровне ядра L ₂ процессы П₁ (L ₂ ), …, П_k (L ₂ ) выполняют функции управления ресурсами системы. На этом уровне вычислений осуществляется предоставление задачам (системным и прикладным) ресурсов системы (оперативной и внешней памяти, файлов последовательного доступа, внешних объектов и т.д.), отбор ресурсов, проверка системы на возникновение тупиковой ситуации, которая может возникнуть при распределении ресурсов.

На уровне L ₃ выполняются системные процессы мониторов П₁ (L ₃ ), …, П _k (L ₃ ), реализующие режимы работ в соответствии с функциональным назначением мониторов.

На уровне L₄ выполняются процессы пользователей П₁ (L ₄ ),…, П _k (L ₄ ). Пользователи выдают задания на решение в виде прикладных задач, решаемых в различных режимах работы.

Операционные отношения между всеми уровнями образуют древовидную форму. Доступ к внутренним уровням происходит из внешних посредством поочередного подключения сфер вычислений. Выбор для подключения той или иной сферы осуществляется в общем случае механизмом планирования. Очередность представления ЦП решается планирующим механизмом, который должен выбрать «достойный» процесс из разных уровней вычислений.

Дата добавления: 2014-12-29