Управление данными в операционных системах

Операционные системы ЭВМ. Основные принципы и понятия

В результате изучения 1-го модуля студенты должны получить представление:

· об основных этапах эволюции операционных систем;

· о назначении и функциях операционных систем;

· об основах классификации и видах операционных систем

Общие сведения об операционных системах

Основные принципы и понятия.

Ранние ЭВМ не предусматривали ОС, поэтому процесс запуска/остановки программы, присоединения внешних носителей управлялись вручную или из прикладной программы. В середине 60-х годов ряд ведущих фирм-производителей ЭВМ – IBM (США), ICL (International Computer Limited – Великобритания), CII (Compagne Internationale pour Informatigue – Франция) практически одновременно приступили к выпуску моделей машин (собственно – IBM 360, System 4, Iris 80), оснащенных операционными системами.

Наиболее современной и конкурентоспособной оказалась система OS/ 360 (IBM), в которой были заложены практически все основные черты ОС, позволяющие превратить ЭВМ в «автоматизированную фабрику» обработки информации при минимальном участии человека. OS/360 и другие современные системы были ориентированы на пакетную обработку информации, при которой пользователь не может вмешаться в ход выполняемой задачи, оперативно просмотреть промежуточные данные, т.е. оторван от машины.

Появление и широкое распространение видеотерминалов привели к возможности предоставить пользователю интерактивный диалоговый доступ к вычислительному процессу, которым он занимается. В OS/360 фирмой и пользователями были внесены дополнения – появились системы TSO, CICS (Customer Information Control System). Известен ряд удачных отечественных разработок – Primus, Focus. Появившиеся в последующий период ОС ориентировались исключительно на интерактивную работу пользователей.

Функции и состав ОС

Функции ОС

Операционная система – это набор программ, обеспечивающий организацию вычислительного процесса ЭВМ. Основные задачи следующие:

- увеличение пропускной способности ЭВМ (за счет организации непрерывной обработки потока задач с автоматическим переходом от одной задачи к другой и эффективного распределения ресурсов ЭВМ по нескольким задачам);

- уменьшение времени реакции системы на запросы пользователей и получение пользователями ответов от ЭВМ;

- упрощение работы разработчиков программных средств и сотрудников обслуживающего персонала ЭВМ (за счет предоставления им значительного количества языков программирования и разнообразных сервисных программ).

По современным представлениям ОС должна уметь делать следующее:

- обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную память и их исполнение (этот пункт не относится к ОС, предназначенным для прошивки в ПЗУ).

- обеспечивать управление памятью. В простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой. В многопроцессорных системах это сложная задача управления системными ресурсами.

- обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски, флэш-память и т.д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные в виде файловых систем.

- предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства и т.д.

- предоставлять некоторый пользовательский интерфейс. Часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы.

Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа – дисковая операционная система MS-DOS. Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

- параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач;

- организацию взаимодействия задач друг с другом;

- организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов;

- защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ;

- аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает);

- авторизацию(проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.

Классификация ОС

ОС могут классифицироваться по следующим показателям:

- количество пользователей: однопользовательские ОС (MS-DOS, WINDOWS) и многопользовательские (VM, UNIX)

- доступ: пакетные(OS360), интерактивные (WINDOWS, UNIX), системы реального времени(QNX, RSX)

- количество решаемых задач: однозадачные ОС (MS-DOS) и многозадачные ОС (WINDOWS, UNIX)

ОС предназначена для выполнения следующих основных (тесно взаимосвязанных) функций:

- управление данными;

- управление задачами;

- связь с человеком-оператором.

В различных ОС эти функции реализуются в различных масштабах и с помощью разных технических, программных, информационных методов и средств.

Структурно ОС представляет собой совокупность программ, управляющих ходом работы вычислительной машины, идентифицирующих прикладные программы и данные и осуществляющих связь между машиной и оператором. ОС повышает производительность вычислительного комплекса за счет гибкой организации прохождения потока задач через машину; равномерной загрузки оборудования; оптимального использования всех ресурсов ЭВМ, стандартной организации хранения в машине больших массивов данных при наличии разнообразных способов доступа к ним.

В состав системного программного обеспечения входят также сервисные программы, которые предназначены для проверки исправности блоков ЭВМ, обнаружения и локализации отказов устройств и устранения их влияния на работу системы в целом.

Программы ОС

Программы ОС постоянно (резидентно) занимают в оперативной памяти объём, установленный при конфигурировании системы. Остальные части ОС по мере необходимости вызываются из внешней памяти.

ОС обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

- обработки задач;

- работы системы в режиме диалога и квантовом времени;

- работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;

- связи оператора с системой;

- протоколирования хода выполнения вычислительных работ; обработки данных, поступающих по каналам связи;

- функционирования устройств ввода-вывода;

- использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;

- планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;

- ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ЭВМ.

Основные компоненты ОС – управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы ЭВМ при переходе от одной программы к другой без вмешательства оператора.

Управляющая программа определяет порядок выполнения обрабатывающих программ и обеспечивает необходимым набором услуг их выполнения. Основные функции управляющей программы: последовательное или приоритетное выполнение каждой работы (управление задачами); хранение, поиск и обслуживание данных независимо от их организации и способа хранения (управление данными).

Программы управления задачами считывают входные потоки задач, обрабатывают их в зависимости от приоритета, инициирует одновременное выполнение нескольких заданий; вызывают процедуры; ведут системный журнал.

Программы управления данными обеспечивают способы организации, идентификации, хранения, каталогизации и выборки обрабатываемых данных. Эти программы управляют вводом – выводом данных с различной организацией, объединением записей в блоки и разделением блоков на записи, обработкой меток томов и наборов данных.

Программы управления восстановлением после сбоя обрабатывают прерывания от систем контроля, регистрирует сбои в процессоре и внешних устройствах, формируют записи о сбое в журнале, анализирует возможность завершения затронутой сбоем задачи и переводят систему в состояние ожидания, если завершение задачи невозможно.

Конфигурация системы. Прикладная программа в операционных системах может получить от ОС в процессе своей работы характеристики конкретной реализации системы, в среде которой она функционирует: имя, версию и редакцию операционной системы, тип и технические характеристики компьютера. В ОС обычно имеются средства локализации, позволяющие настроить систему на конкретное национальное (местное) представление данных: представление десятичных дробей, денежных величин, даты и времени.

Управление данными в операционных системах

Управление данными включает следующие компоненты:

- долговременное планирование - организацию размещения данных на внешних носителях, их выборку и представление пользовательским программам;

- оперативное управление - распределение оперативной памяти под программы и данные, реализацию обмена данными между оперативной и внешней памятью;

- управление внешними устройствами ввода-вывода и размещения данных.

Внешние устройства ЭВМ

Типовая конфигурация внешних устройств (ВУ) IBM PC – совместимых ПЭВМ включает: экран, клавиатура, накопители на магнитных дисках, принтер и т.д. Контроллеры ВУ представляют собой стандартного размера электронные платы (интерфейсные карты, адаптеры и т.д.). Практически все устройства требуют для своей работы программной поддержки – запуска и непрерывного функционирования специальных программ – драйверов устройств. В настоящее время основным видом накопителя является НМД (накопитель на магнитных дисках), но также используется НМЛ (накопитель на магнитных лентах), в основном для резервного (архивного) хранения (стримеры).

В состав внешних запоминающих устройств ЭВМ входят такие, как НГМД, оптические диски, флэш-карты.

Понятие файл появилось впервые в операционной системе OS/360 (IBM), причем в ранних версиях системы «настоящим файлом» считался только массив перфокарт, данные на МД и МЛ обозначались как DS (Data Set – набор данных). В последующих ОС (RSX, UNIX, DOS), файлами становятся именованные организационные наборы данных на любых носителях и устройствах, за сохранность и обновляемость которых (а также передачу в прикладные программы/из прикладных программ) и несет ответственность ОС ЭВМ.

Цикл обработки файла включает следующие операции:

- открытие файла – занятие устройства, на котором файл размещён (МД), создание в оперативной памяти (ОП) управляющего блока, в котором записывается;

- считывание (ввод) порции (блок) данных с накопителя (ВУ) и помещение его в область ОП (буфер);

- извлечение данных из буфера, их обработка и помещение обратно или в другой (выходной) буфер;

- после окончания обработки – вывод (запись) результатов на выходной накопитель также в форме одного или нескольких блоков.

На уровне ОС осуществляется связь между адресом данных и именем (файла). В эпоху до появления ОС и систем программирования программист должен был писать программы в непосредственных адресах ЭВМ

Например,

10 00 1234 7653 – сложить содержимое адреса 1234 с содержимым адреса 7653 и записать по адресу 7653.

При этом управление данными на внешних носителях состояло в написании команд вида:

45 00 1200 000

47 00 0002 1234 – на устройстве накопления данных на МЛ перемотать ленту на 12 зон (блоков), затем прочитать 2 зоны в ОП, размещая данные с адреса 1234.

ОС избавляет программиста от таких забот, предоставляя возможность оперировать файлами и именами.

1) Для OS/360

UNIT = SYSDA, VOL=SER=MASTER, DSN=SYS 2.PGMLIB (COPIER3), что означает набор данных (файл), который размещён на устройстве прямого доступа (НМД=SYSDA), причем пакет дисков имеет имя (метку) MASTER, имя файла состоит из группового обозначения (SYS2) и индивидуального PGMLIB, причем последнее соответствует состоящему из разделов файлу, раздел которого COPIER3 и является описываемым файлом.

2) Для ОС RSX 11/20

Устройство:[g, n] имя. расширение; версия

где устройство – идентификатор устройства

- [g, n] – каталог, идентификатор пользователя, состоящий из имени (номера), группы (g) и имени пользователя в группе (n);

- имя - выбираемое пользователем наименования (не более 8 символов)

- расширения – идентификатор файла (не более 3 символов).

Пример:

DPO: [1, 7] ADABAS.TSK; 1

3) UNIX.

ROOT/USP/SPP/EXPERT 2.C

4) MS-DOS

C:\ WIN 98_SE\PROGRAMS\command.com

В начале для большинства ОС были установлены ограничения на длину и состав имени файла:

- имя может содержать только символы заглавной латиницы; цифры и подчеркивание;

- имя должно начинаться с буквы;

- длина имени файла не более 8 символов; длина расширения не более 3.

В дальнейшем эти ограничения во многом стали сниматься: появилось понятие длинного имени, включающего запрещенные символы.