Вычислительные и операционные системы

     индивидуального и коллективного пользования (в  зависимости от числа пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы ВС);

     с пакетной обработкой и разделением  времени (в зависимости от организации  и обработки заданий);

     однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные (в зависимости от числа процессоров);

     сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и ВС с теледоступом (в зависимости от территориального расположения и взаимодействия технических средств);

     работающие  или не работающие в режиме реального  времени (в зависимости от соотношения  скоростей поступления задач  в ВС и их решения);

     универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные (в зависимости от назначения).

     Режимы  работы вычислительных систем.

     1. Мультипрограммирование 

     Мультипрограммирование - это режим обработки данных, при котором ресурсы вычислительной системы предоставляются каждому процессу из группы процессов обработки данных, находящихся в ВС, на интервалы времени, длительность и очередность предоставления которых определяется управляющей программой этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном режиме.

     2. Режим реального времени 

     Режим реального времени - режим обработки  данных, при котором обеспечивается взаимодействие вычислительной системы  с внешними по отношению к ней  процессами в темпе, соизмеримом  со скоростью протекания этих процессов.

     Этот  режим обработки данных широко используется в системах управления и информационно-поисковых  системах.

     3. Однопрограммный режим работы  вычислительной системы (ВС)

     Аппаратные  средства ЭВМ совместно с программным  обеспечением образуют ВС. В зависимости от класса ЭВМ и вида операционной системы ВС могут работать в режимах однопрограммном и мультипрограммном.

     В однопрограммном режиме работы в  памяти ЭВМ находится и выполняется  только одна программ. Такой режим  обычно характерен для микро-ЭВМ  и персональных ЭВМ, то есть для ЭВМ индивидуального пользования.

     4. Мультипрограммный режим работы  вычислительной системы (ВС)

     В мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ находится  несколько программ, которые выполняются  частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе.

     В мультипрограммном режиме более  эффективно используются машинное время  и оперативная память, так как  при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д.

     При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной.

     Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными  средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.

     5. Режим пакетной обработки

     В зависимости от того, в каком порядке  при мультипрограммном режиме выполняются  программы пользователей, различают  режимы пакетной обработки задач  и коллективного доступа.

     В режиме пакетной обработки задачи выстраиваются  в одну или несколько очередей и последовательно выбираются для их выполнения.

     6. Режим коллективного доступа 

     В режиме коллективного доступа каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент времени, то есть для  каждого пользователя в такой  ВС реализуется режим индивидуального пользования. Это осуществляется обычно с помощью квантования машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания кванта времени процессор переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в зависимости от ситуации в ВС. Вычислительные системы, обеспечивающие коллективный доступ пользователей с квантованием машинного времени, называют ВС с разделением времени. 

     Характеристики  операционных систем. 

     1. Основные функции операционных систем

       Операционная система (ОС) связывает  аппаратное обеспечение и прикладные  программы. Многие свойства различных  программ похожи, и операционная  система обычно предоставляет  этот общий сервис. Например, практически  все программы считывают и записывают информацию на диск или отображают ее на дисплее. И хотя каждая программа в принципе может содержать инструкции, выполняющие эти повторяющиеся задачи, использование в этих целях операционной системы более практично.

     Операционная  система может взаимодействовать с аппаратными средствами и пользователем или прикладными программами. Она также может переносить информацию между аппаратурой и прикладным программным обеспечением.

     Прикладной  программист не должен беспокоиться о написании специального программного кода для записи данных на все множество дисков, которое может быть на ПК. Программист просто просит операционную систему записать данные на диск, а ОС занимается зависящей от аппаратуры информацией. Операционная система получает предоставляемые прикладными программами данные и записывает их на физический диск.

     Использование операционной системы делает программное  обеспечение более общим: программы  могут работать на любом компьютере, на котором можно запустить эту  операционную систему, поскольку взаимодействуют с операционной системой, а не с аппаратурой.

     Наиболее  часто используемые операционные системы, такие как DOS, Windows, UNIX, также предоставляют  пользовательский интерфейс: пользователь может набирать команды в системном  приглашении. ОС интерпретирует эти инструкции с помощью программы, логично называемой командным интерпретатором, или процессором.

       2. Модульная структура операционных систем

     Структура ОС носит модульный характер.

     Программный модуль - программа, рассматриваемая  как целое в контекстах хранения в наборе данных, трансляции, объединения с другими программными модулями, загрузки в оперативную память для выполнения или разработки в составе программного комплекса.

     При разработке программного обеспечения  его разделение на модули происходит по функциональному признаку, что способствует минимизации числа межмодульных связей и, следовательно, уменьшению сложности разрабатываемого программного комплекса.

     Размеры модулей при этом обычно составляют несколько десятков, реже несколько  сотен операторов алгоритмического языка. При исполнении программ различают исходный модуль - программу, выраженную на принятом при разработке комплекса языке программирования, объектный модуль - программу, полученную в результате трансляции на машинный язык, и загрузочный модуль - программу, прошедшую редактирование и готовую к помещению в оперативную память и после настройки адресных констант по месту загрузки - к исполнению. Загрузочный модуль может включать в себя несколько объектных и ранее отредактированных загрузочных модулей.

     Рассмотрим  последовательность обработки задания  на ЭВМ.

     Решение любой задачи на ЭВМ начинается с  написания ее алгоритма на языке  программирования. Текст алгоритма  называется исходной программой или  исходным модулем.

     Первый  этап обработки - трансляция, т.е. перевод текста исходного модуля с какого либо языка программирования на язык машинных команд конкретной ЭВМ. Трансляция осуществляется с помощью специальных, сложных программ - трансляторов, которые входят в состав комплекта системных обрабатывающих программ ОС.

     Транслятор  загружается в оперативную память (RAM) ЭВМ, ему передается управление центральным процессором, входной  информацией для него служит транслируемый  исходный модуль, результатом работы является текст программы на машинном языке - объектный модуль.

     Сложные программные комплексы состоят  из многих модулей, поэтому, перед этапом выполнения программы необходимо объединение  всех модулей и определение связей между ними.

     В современных ОС такое объединение  модулей осуществляется после этапа трансляции перед загрузкой программы в RAM ЭВМ для выполнения. Процесс установления межмодульных связей в различных ОС называют редактированием связей (компоновкой задач, построением задач), и выполняется он с помощью специальной программы редактора связей.

     Программа редактора связей осуществляет первичное  разрешение межмодульных ссылок. Предположим, что в модуле А существует команда  обращения к модулю В - call В. Редактор связей после объединения обоих  модулей в единый загрузочный  модуль в соответствующей машинной команде должен проставить адрес модуля В, определенный относительно начала всего загрузочного модуля.

     Чтобы программа могла выполняться, единый загрузочный модуль должен быть помещен  в RAM ЭВМ. Эту операцию называют этапом загрузки, а программу, которая осуществляет загрузку, - загрузчиком или программой выборки. 

       3. Операционные системы общего назначения  

     Различают три типа операционных систем (ОС) общего назначения: поддерживающие однопрограммный  режим работы и диалоговый способ общения, обеспечивающие пакетную обработку задач в режиме мультипрограммирования и операционные системы разделения времени.

     1. Операционные системы общего  назначения, поддерживающие однопрограммный  режим работы и диалоговый  способ общения включают в себя средства, обеспечивающие ввод и вывод информации, управляют работой системных обрабатывающих программ - трансляторов, редакторов, предоставляют пользователю сведения о ходе выполнения задач, обеспечивают работу с библиотеками. Обычно такие операционные системы называют мониторными. Они не повышают производительности ЭВМ, но позволяют программисту вмешиваться в ход выполнения задания, что резко повышает производительность его работы, особенно на этапе отладки программ.

     2 Операционные системы общего назначения, обеспечивающие пакетную обработку задач в режиме мультипрограммирования применяются в ВС средней и большой производительности. В RAM ЭВМ одновременно находится несколько системных и пользовательских задач, и когда одна из них обрабатывается процессором, то для остальных осуществляются необходимые обмены с внешним устройством (ВУ).

     Эффективность использования ВС при этом во многом зависит от состава пакета задач, подлежащих выполнению, так как могут  возникать ситуации, когда все  задачи находятся в состоянии ожидания и процессор простаивает ( в условиях потока отладочных задач, каждая из которых характеризуется многократными обменами и незначительным временем, затрачиваемым собственно на счет). Эффективность работы пользователя при этом невысокая, так как в условиях пакетной обработки задач он не имеет возможности вмешиваться в процесс выполнения своей программы.

     Рассмотрим  основные функции ОС общего назначения, обеспечивающей мультипрограммный  режим обработки задач.

     Операционная  система должна выполнять рациональное планирование работ по обработке всех поступающих задач (комплекс мероприятий по вводу задач в ЭВМ, распознаванию их характеристик, размещению всех входных наборов данных на внешних носителях, организации входных и выходных очередей).