Иерархическая модель операционной системы

С добавлением в операционные системы все новых функций, а также с ростом возможностей управляемого операционными системами аппаратного обеспечения и его разнообразия возрастает степень их сложности. Программное обеспечение должно состоять из модулей, что упростит организацию процесса его разработки и облегчит выявление и устранение ошибок. Модули по отношению друг к другу должны иметь тщательно разработанные и максимально простые интерфейсы, что облегчит задачи программиста. Кроме Меньше усилий потребует эволюция такой системы. Если взаимодействие модулей друг с другом происходит по простым и четким правилам, изменение любого модуля окажет минимальное влияние на остальные.

Для больших операционных систем, код которых состоит из миллионов или десятков миллионов строк, принцип модульного программирования сам по себе не избавляет от всех проблем. По этой причине возросла популярность концепции уровней иерархии, а также информационной абстракции. В иерархической структуре современной операционной системы различные функции находятся на разных уровнях в зависимости от их сложности, временных характеристик и степени абстракции. Систему можно рассматривать как набор уровней, каждый из которых выполняет свой ограниченный круг заданий, входящий в комплекс задач операционной системы. Работа компонентов определенного уровня основывается на работе компонентов, находящихся на более низком уровне; функции более высокого уровня используют примитивы нижнего по отношению к нему уровня. В идеале уровни должны быть определены так, чтобы при изменении одного из них не изменялись остальные.

Чем ниже уровень, тем меньше время работы его компонентов. Некоторые элементы операционной системы должны непосредственно взаимодействовать с аппаратным обеспечением компьютера, элементарные процессы в котором иногда длятся не более нескольких миллионных долей секунды. Составляющие операционной системы, поддерживающие взаимосвязь с пользователем, находятся на другом конце временного диапазона. Пользователи вводят команды весьма медленно — до одной команды за несколько секунд.

В каждой отдельно взятой операционной системе перечисленные принципы применяются по-разному.

Уровень 1. В него входят электронные схемы; объектами данного уровня являются регистры, ячейки памяти и логические элементы. Над этими объектами выполняются различные действия, такие, как очистка содержимого регистра или считывание ячейки памяти.

Уровень 2. Набор команд процессора. В число операций, выполняемых на этом уровне, входят те, которые допускаются набором команд машинного языка, например сложение, вычитание, загрузка значения из регистра или сохранение в нем.

Уровень 3. Содержит концепцию процедуры (подпрограммы), а также операции вызова и возврата.

Уровень 4. Уровень прерываний, которые заставляют процессор сохранить текущий контекст и выполнить подпрограмму обработки прерывания.

На самом деле первые четыре уровня не являются частями операционной системы, они составляют аппаратное обеспечение процессора. Однако на этих уровнях уже появляются некоторые элементы операционной системы, такие, как программы обработки прерываний. Вплотную к операционной системе мы подходим только на пятом уровне, на котором возникают концепции, связанные с многозадачностью.

Уровень 5. На этом уровне вводится понятие процесса, под которым подразумевается работающая программа. В число фундаментальных требований к операционной системе, способной поддерживать одновременную работу не скольких процессов, входят способность приостанавливать процессы и возобновлять их выполнение. Для этого необходимо сохранять содержимое регистров аппаратного обеспечения, чтобы можно было переключаться с одного процесса на другой. Кроме того, если процессы должны взаимодействовать между собой, необходим механизм их синхронизации. Одной из важнейших концепций устройства операционных систем является семафор — простейший способ передачи сигналов, который рассмотрен в главе 5, "Параллельные вычисления: взаимоисключения и многозадачность".

Уровень 6. Компоненты этого уровня взаимодействуют со вспомогательными запоминающими устройствами компьютера. На

(2-3-2/3)

этом уровне происходит позиционирование считывающих головок и физическая передача блоков данных. Для планирования работы и уведомления процесса о завершении запрошенной операции уровень 6 использует компоненты уровня 5.

Уровень 7. Создает логическое адресное пространство процессов. Уровень организует виртуальное адресное пространство в виде блоков, которые могут перемещаться между основной памятью и вспомогательным запоминающим устройством. Широко распространены следующие три схемы: использование страниц фиксированного размера, использование сегментов переменного размера и комбинация тех и других. Если нужный блок отсутствует в основной памяти, то данный уровень передает уровню 6 запрос о передаче этого блока.

До сих пор речь шла только о взаимодействии операционной системы с процессором. Компоненты операционной системы, относящиеся к восьмому и более высоким уровням, вступают во взаимодействие с внешними объектами, такими, как периферийные устройства, а возможно — с сетью и компьютерами, подключенными к сети. Объектами этих уровней являются логические именованные объекты, которые могут совместно использоваться несколькими процессами, исполняющимися на одном или на нескольких компьютерах.

Уровень 8. Отвечает за обмен информацией и сообщениями между процессами. На этом уровне происходит более богатый обмен информацией, чем на уровне 5, который обеспечивает работу первичного сигнального механизма для синхронизации процессов. Одним из наиболее мощных инструментов подобного типа является конвейер, представляющий собой логический канал передачи данных между процессами. Конвейер определяется как канал, передающий вывод одного процесса на вход другого; кроме того, он может быть использован и для связи с процессом внешних устройств или файлов.

Уровень 9. Обеспечивает долгосрочное хранение файлов. На этом уровне данные, хранящиеся на вспомогательном запоминающем устройстве, рассматриваются как абстрактные объекты переменной длины, в противоположность аппаратно-зависимому рассмотрению вторичной памяти как набора дорожек, секторов и блоков фиксированного размера, присущему уровню 6.

Уровень 10. Предоставляет доступ к внешним устройствам с помощью стандартных интерфейсов.

Уровень 11. Поддерживает связь между внешними и внутренними идентификаторами системных ресурсов и объектов. Внешний идентификатор — это имя, которое может использоваться приложением или пользователем. Внутренний идентификатор — это адрес или другой индикатор, используемый нижними уровнями операционной системы для обнаружения объекта и управления им. Эта связь поддерживается с помощью каталога, который включает в себя не только взаимное отображение внешних и внутренних идентификаторов, но и такие характеристики, как, например, права доступа.

Уровень 12. Предоставляет полнофункциональные средства поддержки процессов. Возможности этого уровня намного превосходят возможности уровня 5, на котором поддерживается только содержимое регистров процессора, имеющее отношение к процессу, и логика диспетчеризации процессов. На уровне 12 эта информация используется для упорядоченного управления процессами. Сюда же относится и виртуальное адресное пространство процессов, список объектов и процессов, с которыми оно может взаимодействовать, и правила, ограничивающие это взаимодействие; параметры, переданные процессам при их создании, и прочие характеристики процессов, которые могут быть использованы операционной системой для управления.

Уровень 13. Обеспечивает взаимодействие операционной системы с пользователем. Этот уровень называется оболочкой (shell), так как он отделяет пользователя от деталей внутреннего устройства операционной системы и представляет ее пользователю как набор сервисов. Оболочка принимает команды пользователя или инструкции управления заданиями, интерпретирует их, создает необходимые процессы и управляет ими. На этом уровне, например, может быть реализован графический интерфейс, предоставляющий пользователю возможность выбора команды с помощью меню и отображающий результаты работы на экране.

 

(2-3-3/3)

(2-4-1/1) Характеристики современных операционных систем (многопоточность, симметричная многопроцессорность, распределенные операционные системы)

№ п/п	Признак классификации	Разделения
1.	По числу одновременно выполняемых задач	1. Однозадачные 2. Многозадачные
2.	По числу одновременно работающих пользователей	1. Однопользовательские 2. Многопользовательские
3.	По числу одновременно управляемых процессоров	1. Однопроцессорные 2. Многопроцессорные
4.	По режиму работы	1. Пакетной обработки 2. Разделения времени 3. Реального времени 4. Многорежимные

Многозадачная ОС, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограммный режим в соответствии с определенными требованиями.

По числу одновременно работающих пользователей: наиболее существенно отличие заключается в наличии у многопользовательских систем механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.

Многопроцессорные системы состоят из двух или более центральных процессоров, осуществляющих параллельное выполнение команд. Поддержка мультипроцессирования является важным свойством ОС и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows NT и в ряде других. Многопроцессорные ОС разделяют на:

- симметричные - на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована;

- асимметричные - процессоры неравноправны, обычно существует главный процессор и подчиненные, загрузку и характер работы которых определяет главный процессор

По режиму работы существует три категории ОС:

- пакетной обработки - задание пользователя обрабатывается как последовательность пакетов, а возможность взаимодействия между пользователем и его заданием во время выполнения отсутствует;

- ОС разделения времени - обеспечивают одновременное обслуживание многих пользователей, позволяя каждому взаимодействовать со своими заданиями;

- ОС реального времени - обслуживают внешние процессы в темпе, соизмеримом с темпом их поступления.

В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени. Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем те могут поступать, причем от нескольких источников одновременно. Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ.

Распределенная система внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся, на локальной или удаленной машине, и где его программы выполняются.

(2-7-1/2) Логические основы ЭВМ (логические функции, логические элементы, устройства, алгебра логики Буля, функции «НЕ», «ИЛИ», «И» и др., таблицы истинности, условное изображение; структурная схема АЛУ, типы и назначение регистров, используемых в АЛУ)

Алгеброй логики называется аппарат, который позволяет выполнять действия над высказываниями.

Логические выражения могут быть простыми и сложными.

Простое логическое выражение состоит из одного высказывания и не содержит логические операции. В простом логическом выражении возможно только два результата — либо «истина», либо «ложь».

Сложное логическое выражение содержит высказывания, объединенные логическими операциями. В качестве основных логических операций в сложных логических выражениях используются следующие:

- НЕ (логическое отрицание, инверсия);

- ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция);

- И (логическое умножение, конъюнкция).

Логическое отрицание является одноместной операцией, так как в ней участвует одно высказывание. Логическое сложение и умножение — двуместные операции, в них участвует два высказывания.

Все операции алгебры логики определяются таблицами истинности значений. Таблица истинности определяет результат выполнения операции для всех возможны х логических значений исходных высказываний. Количество вариантов, отражающих результат применения операций, будет зависеть от количества высказываний в логическом выражении, если число высказываний в логическом выражении N, то таблица истинности будет содержать 2^N строк, так как существует 2^N различных комбинаций возможных значений аргументов.

Логическая операция НЕ применяется к одному аргументу, в качестве которого может быть и простое, и сложное логическое выражение. Результатом операции НЕ является следующее:

- если исходное выражение истинно, то результат его отрицания будет ложным;

- если исходное выражение ложно, то результат его отрицания будет истинным.

Для операции отрицания НЕ приняты следующие условные обозначения:

не А, Ā, not A, А.

Результат операции отрицания НЕ определяется следующей таблицей истинности:

A	не А

Результат операции отрицания истинен, когда исходное высказывание ложно, и наоборот.

Логическая операция ИЛИ выполняет функцию объединения двух высказываний, в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение. Высказывания, являющиеся исходными для логической операции, называют аргументами. Результатом операции ИЛИ является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинно будет хотя бы одно из исходных выражений.

Применяемые обозначения: А или В, А V В, A or B.

Результат операции ИЛИ определяется следующей таблицей истинности:

A	B	А или B

Результат операции ИЛИ истинен, когда истинно А, либо истинно В, либо истинно и А и В одновременно, и ложен тогда, когда аргументы А и В — ложны.

Логическая операция И выполняет функцию пересечения двух высказываний (аргументов), в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение. Результатом операции И является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинны оба исходных выражения.

Применяемые обозначения: А и В, А Λ В, A & B, A and B.

Результат операции И определяется следующей таблицей истинности:
(2-6-1/4) Понятие сигнала и канала связи (детерминированный, случайный, непрерывный, дискретный сигналы, квантование сигнала по уровню, по времени, по уровню и по времени одновременно; амплитудная, частотная и фазовая модуляции)

Сигнал – физический процесс, отображающий (несущий) сообщение.

Канал связи – совокупность средств, предназначенных для передачи сообщений.

В качестве носителей информации используются колебания различной природы, чаще всего гармонические, включая частный случай — постоянное состояние. Детерминированными называют колебания, которые точно определены в любые моменты времени. В случае детерминированного колебания условно так же говорят о детерминированном сигнале. В зависимости от структуры информационных параметров сигналы подразделяют на:

- дискретные,

- непрерывные

- дискретно-непрерывные.

Существуют следующие разновидности математических представлений (моделей) детерминированного сигнала:

- непрерывная функция непрерывного аргумента, например непрерывная функция времени (рис. 1.1, а);

- непрерывная функция дискретного аргумента, например функция, значения которой отсчитывают только в определенные моменты времени (рис. 1.1,б);

- дискретная функция непрерывного аргумента, например функция времени, квантованная по уровню (рис. 1.1, в);

- дискретная функция дискретного аргумента, например функция, принимающая одно из конечного множества возможных значений (уровней) в определенные моменты времени (рис. 1.1, г).
(2-6-2/4)

Случайные сигналы — сигналы, мгновенные значения которых не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью, меньшей единицы.

Случайные процессы, могут быть непрерывными и дискретными как по времени, так и по множеству состояний, т.е. по аналогии с классификацией детерминированных сигналов возможен один из четырех типов случайного процесса:

- непрерывный случайный процесс (множество состояний – континуум, а изменения состояний возможны в любой момент времени);

- непрерывная случайная последовательность (изменения состояний допускаются лишь в конечном или счетном числе моментов времени);

- дискретный случайный процесс (изменения состояний могут происходить в произвольные моменты времени, но множество состояний конечно);

- дискретная случайная последовательность (состояния из конечного множества могут изменяться в конечном или счетном числе моментов времени).

Непрерывные сообщения не разделены на элементы. Они описываются непрерывными функциями времени.

Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных элементов – знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а число знаков – объемом алфавита. В частности, знаками могут быть буквы алфавита некоторого языка.

q – шаг квантования (разрешающая способность преобразователя)

ε – ошибка квантования

q=(x_max – x_min)/(2n-1) – количество разрядов в преобразователе.

Ошибка ε является принципиальной для квантования по уровню.

n=0, 1, 2 …

T₀ – период квантования

Δ – функции

x[nT₀] – решётчатая функция, порожденная неопределённой функцией x(t).

 

(2-6-4/4)

Изменение уровня может происходить только в момент t=nT0,n=0,1,2…

При амплитудной модуляции на входы модулятора поступают сигнал V и несущая U. Например, если сигнал есть гармоническое колебание

V = Vm*sin(W *t+j)

с амплитудой Vm, частотой W и фазой j, то на выходе нелинейного элемента в модуляторе будут модулированные колебания

UАМ = Um*(1+m*sin(W *t+j))*sin(v *t+y),

где m = Vm/Um - коэффициент модуляции. На выходе модулятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота v и две боковые частоты v +W и v -W. Если сигнал занимает некоторую полосу частот, то в спектре модулированного колебания появятся две боковые полосы.

При амплитудной модуляции во избежание искажений, называемых качанием фронта, нужно выполнение условия v >> W, где v и W - соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной (для среднескоростной аппаратуры передачи данных) несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с. Поэтому в модемах применяют дополнительное преобразование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, например Fнд = 10 кГц, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирующие колебания на промежуточную частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых полосах до 1400 Гц спектр сигнала согласуется с полосой пропускания телефонных линий. Однако достигаемые при этом скорости передачи данных остаются невысокими.

Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.

В сравнительно простых модемах применяют частотную модуляцию со скоростями передачи до 1200 бит/с. Так, если необходима дуплексная связь по двухпроводной линии, то возможно представление 1 и 0 в вызывном модеме частотами 980 и 1180 Гц соответственно, а в ответном модеме - 1650 и 1850 Гц. При этом скорость передачи составляет 300 бод.

Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/с передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой 450 Гц.

Фазовая модуляция двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Другой вариант PSK изменение фазы на p /2 в каждом такте при передаче нуля и на 3/4*p, если передается единица.

(2-6-3/4)

U[nT₀] – единичная последовательность, вырабатываемая, которая управляет ключом, замыкая его по закону Δ – функции.

x=∑∞n=0 x[nT₀].

Для определения величины T₀ используется теорема Котельникова: T₀≤1/2f_max; f_max – максимальная частота спектра квантуемого сигнала.

Еотбр/Еостав≤1%.

Не реализуемость теоремы Котельникова возникает из-за того, что для восстановления функции по известным отсчётам необходимо каждый отсчёт умножить на функцию y=sinx/x и эти произведения сложить.

Невозможность состоит в том, что функция имеет вид:

Сумма произведений ∑∞-∞, отсюда вытекает общая невозможность точного воспроизведения квантованного по времени сигнала. Однако, учитывая, что основная часть энергии сигнала состоит в обл.1:

Выводы по квантованию:

- ориентиром для выбора периода квантования T₀ является теорема Котельникова.

- при любом значении T₀ принципиально существует ошибка измерения непрерывного сигнала по его отсчёту.

- чем меньше T₀, тем меньше информации о сигнале.

 

A	B	А и B

(2-7-/2)

Результат операции И истинен тогда и только тогда, когда истинны одновременно высказывания А и В, и ложен во всех остальных случаях.

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части:

- микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

- операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

В состав АЛУ входят регистры, в которых обрабатывается информация, поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2,...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма, которая записывается в виде последовательности микрокоманд. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации, и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2,...,уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ:

- Рг1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

- Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);

- Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;

- Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

- Рг7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся: сумматор, индексные регистры, некоторые вспомогательные регистры.

Остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре.

АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Информационные системы (структура типичной ИС, принцип действия, одноканальные и многоканальные ИС, основные характеристики: уровень помех, чувствительность, избирательность, пропускная способность).

Структуру ИС составляет совокупность отдельных её частей, называемых подсистемами.

Подсистема – это часть системы, выделенная по какому-либо признаку. Если общую структуру ИС рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения, то в этом случае подсистемы называют обеспечивающими. Среди основных подсистем ИС обычно выделяют:

- информационное – это совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документации, схем информационных потоков, циркулирующих в организации, а также методология построения БД

- техническое – это комплекс технических средств, обеспечивающих работу ИС, соответствующей документации на эти средства и технологические процессы;

- математическое:

– средства моделирования процессов;

– типовые задачи;

– методы математического программирования, математической статистики, теории массового обслуживания и др.;

- программное

- общесистемное ПО – это комплекс программ, ориентированный на пользователей и предназначенный для решения типовых задач обработки информации;

- специальное ПО представляет собой совокупность программ, разработанных при создании конкретной ИС;

- лингвистическое – это совокупность языковых средств, обеспечивающих гибкость представления и обработки информации с помощью ИС;

- организационное – это совокупность методов и средств, регламентирующих взаимодействие работников с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации ИС;

- правовое обеспечение – это совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование ИС, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования информации.

Общие принципы работы информационных систем

- многократное использование информации при однократной обработке

- минимальное повторение операций

- раздельный ввод данных

- максимальная совместимость информационных массивов

- удобный интерфейс (способ общения)

 

(2-8-1/3) Системы счисления (принцип построения позиционной системы счисления, основание системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую, представление чисел в формате с фиксированной и с плавающей запятой. понятие нормализации, выполнение арифметических действий в двоичной системе счисления над числами в форме с фиксированной и с плавающей запятой)

Система счисления — это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр).