1. Концепция операционных систем

1.1 Назначение и основные функции ос и осрв

Системный блок - всего лишь «плоть» компьютера. А его дух, двигатель - это программное обеспечение, которое, собственно, и заставляет процессорное сердце компьютера биться с чудовищной скоростью, гоня по железным «венам» цифровую кровь.

Но и сами программы довольно беспомощны - всем им нужен некий посредник, который позволял бы работать с компьютерным железом. Как именно происходит взаимодействие между человеком и компьютером?

Сколько бы ни было в компьютере программ, всем им необходима единая платформа. Единый, общий язык, на котором они смогут общаться с компьютерным «железом» с одной стороны и с пользователем - с другой. Помошник, который снимет решение самых распространенных проблем.

Давно ушли в прошлое времена компьютеров первых поколений, когда аппаратные средства были главным предметом вожделения специалистов. В те времена, в 50-60-е годы, вопрос о программных средствах стоял так: «если есть - хорошо, нет - сами напишем, только дайте ЭВМ». Но на сегодняшний день рынок ОС очень велик, и порой затрудняешься при выборе.

Всевозможные программные средства, которых, насчитывается уже сотни тысяч для компьютеров различных типов, можно разделить на несколько классов в зависимости от назначения:

операционные системы;

системы программирования;

инструментальные программные средства, интегрированные пакеты;

прикладные программы.

Особое место среди программных средств всех типов занимают операционные системы, являясь ядром программного обеспечения.

Операционная система - это комплекс программ, обеспечивающих:

управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера;

управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными;

пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд - операций по обработке информации.

Такое определение операционной системы уже апеллирует к ее функциям, поэтому рассмотрим эти функции подробнее.

Операционные системы - наиболее машинно-зависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами или, как еще говорят, обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера.

В той мере, в какой это необходимо для понимания функций операционных систем, аппаратную часть компьютера можно представлять себе состоящей из следующих элементов:

центрального процессора, имеющего определенную архитектуру и характеризующегося производительностью, т.е. количеством простейших операций, выполняемых в единицу времени, а также другими качествами;

оперативной памяти, характеризующейся емкостью (объемом) и скоростью обмена данными (прежде всего с центральным процессором);

периферийных устройств, среди которых имеются – устройства ввода и устройства вывода;

внешние запоминающие устройства (дисководы для магнитных и оптических дисков, устройства для работы с лентами и др.);

мультимедийные устройства.

Все эти аппаратные устройства обобщенно называют ресурсами компьютера.

За время существования компьютеров операционные системы претерпели значительную эволюцию. Так, первые операционные системы были однопользовательскими и однозадачными. Эффективность использования ресурсов компьютера в этом случае оказывалось невысокой из-за простоев всех, кроме одного работающего периферийного устройств компьютера. Например, при вводе данных простаивал центральный процессор, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.

По мере роста возможностей, производительности и изменениях в соотношении стоимости устройств компьютера положение стало нетерпимым, что привело к появлению многозадачных операционных систем, остававшихся однопользовательскими.

Такие операционные системы обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, параллельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполняющимися заданиями.

При многозадачном режиме:

в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей;

время работы процессора разделяется между программами, находящимися в оперативной памяти и готовыми к обслуживанию процессором;

параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различными внешними устройствами.

Наиболее совершенны и сложны многопользовательские многозадачные операционные системы, которые предусматривают одновременное выполнение многих заданий многих пользователей, обеспечивают разделение ресурсов компьютера в соответствии с приоритетами пользователей и защиту данных каждого пользователя от несанкционированного доступа. В этом случае операционная система работает в режиме разделения времени, т.е. обслуживает многих пользователей, работающих каждый со своего терминала.

Операционные системы могут классифицироваться по следующим показателям:

количество пользователей: однопользовательские ОС (Ms-DOS, Windows) и многопользовательские ОС (VM, UNIX);

доступ: пакетные (OS 360), интерактивные (Windows, UNIX), систе6мы реального времени (QNX, Neutrino, RSX);

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

Операционная система предназначена для выполнения следующих основных (тесно взаимосвязанных) функций:

управление данными;

управление задачами (заданиями, процессами);

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 в целом.

Системное программное обеспечение ЭВМ предназначено для осуществления адаптируемости программ пользователей к изменениям состава ресурсов ЭВМ. Высокая производительность вычислительной системы обеспечивается ОС благодаря применению режимов пакетной обработки и мультипрограммного и наличию специальных программных средств для выполнения трудоемких операций ввода-вывода информации.

К числу наиболее известных первых управляющих программ относятся комплексы SAGE, SABRE, MERCURE, реализованы на ЭВМ второго поколения. Для ЭВМ IBM/360 были разработаны ОС, обеспечивающие пакетную технологию обработки данных и работу в реальном масштабе времени, а также реализацию многомашинных и мультипроцессорных комплексов.

Давайте определим основные понятия и значения операционных систем реального времени (ОСРВ).

Операционная система реального времени, ОСРВ (англ. Real-Time Operating System) — тип операционной системы. Есть много определений термина, по сути похожих друг на друга.

Самые распространённые из них:

Операционная система, в которой успешность работы любой программы зависит не только от её логической правильности, но и от времени, за которое она получила этот результат. Если система не может удовлетворить временным ограничениям, должен быть зафиксирован сбой в её работе.

Стандарт POSIX 1003.1 даёт определение: «Реальное время в операционных системах — это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени».

Операционная система, реагирующая в предсказуемое время на непредсказуемое появление внешних событий.

Интерактивные системы постоянной готовности. В категорию ОСРВ их относят, исходя из маркетинговых соображений, и если интерактивную программу называют «работающей в реальном времени», то это лишь означает, что запросы от пользователя обрабатываются с задержкой, незаметной для человека.

Системы жёсткого и мягкого реального времени.

Операционные системы реального времени иногда делят на два типа — системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях, называется операционной системой жёсткого реального времени.

Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем, называется операционной системой мягкого реального времени.

Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к:

потере актуальности результатов

большим финансовым потерям

авариям и катастрофам

Если не выполняется обработка критических ситуаций либо она происходит недостаточно быстро, система жёсткого реального времени прерывает операцию и блокирует её, чтобы не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть — бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр.), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

Системы мягкого реального времени характеризуются возможностью задержки реакции, что может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Примером может служить работа компьютерной сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.

Основное отличие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени — не должна опаздывать с реакцией на событие.

Обозначим операционной системой реального времени такую систему, которая может быть использована для построения систем жёсткого реального времени. Это определение выражает отношение к ОСРВ как к объекту, содержащему необходимые инструменты, но также означает, что эти инструменты ещё необходимо правильно использовать.

Большинство программного обеспечения ориентировано на «мягкое» реальное время. Для подобных систем характерно:

гарантированное время реакции на внешние события (прерывания от оборудования);

жёсткая подсистема планирования процессов (высокоприоритетные задачи не должны вытесняться низкоприоритетными, за некоторыми исключениями);

повышенные требования к времени реакции на внешние события или реактивности (задержка вызова обработчика прерывания не более десятков микросекунд, задержка при переключении задач не более сотен микросекунд)

Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.

Отличительные черты ОСРВ

	ОС реального времени	ОС общего назначения
Основная задача	Успеть среагировать на события, происходящие на оборудовании	Оптимально распределить ресурсы компьютера между пользователями и задачами
На что ориентирована	Обработка внешних событий	Обработка действий пользователя
Как позиционируется	Инструмент для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени	Воспринимается пользователем как набор приложений, готовых к использованию
Кому предназначена	Квалифицированный разработчик	Пользователь средней квалификации

Таб. 1. Таблица сравнения ОСРВ и обычных операционных систем.

Архитектуры ОСРВ

В своем развитии ОСРВ строились на основе следующих архитектур.

Монолитная архитектура. ОС определяется как набор модулей, взаимодействующих между собой внутри ядра системы и предоставляющих прикладному ПО входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Основной недостаток этого принципа построения ОС заключается в плохой предсказуемости её поведения, вызванной сложным взаимодействием модулей между собой.

Уровневая (слоевая) архитектура. Прикладное ПО имеет возможность получить доступ к аппаратуре не только через ядро системы и её сервисы, но и напрямую. По сравнению с монолитной такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Главным недостатком таких систем является отсутствие многозадачности.

Архитектура «клиент-сервер». Основной её принцип заключается в вынесении сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя и выполнении микроядром функций диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами — системными сервисами. Преимущества такой архитектуры:

Повышенная надёжность, так как каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.

Улучшенная масштабируемость, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к её работоспособности.

Повышенная отказоустойчивость, так как «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.

Архитектуры операционных систем реального времени
Монолитная архитектура	Уровневая (слоевая) архитектура	Архитектура «клиент–сервер»

Особенности ядра

Ядро ОСРВ обеспечивает функционирование промежуточного абстрактного уровня ОС, который скрывает от прикладного ПО специфику технического устройства процессора (нескольких процессоров) и связанного с ним аппаратного обеспечения.

Ядро́ (kernel) — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Типы архитектур ядер операционных систем:

Монолитное ядро

Модульное ядро

Микроядро

Экзоядро

Наноядро

Гибридное ядро

Комбинация разных подходов

Типы архитектур ядер операционных систем

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: Традиционные ядра UNIX (такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Микроядро

М икроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.

Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.

Сервисные процессы (в принятой в семействе UNIX терминологии — «демоны») активно используются в самых различных ОС для задач типа запуска программ по расписанию (UNIX и Windows NT), ведения журналов событий (UNIX и Windows NT), централизованной проверки паролей и хранения пароля текущего интерактивного пользователя в специально ограниченной области памяти (Windows NT). Тем не менее, не следует считать ОС микроядерными только из-за использований такой архитектуры.

Примеры: Symbian OS; Windows CE; OpenVMS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.

Экзоядро

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.

Гибридное ядро

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Windows семейства NT.

Комбинация разных подходов

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Так, например, сейчас ядро «Linux» представляет собой монолитную систему с отдельными элементами модульного ядра [источник не указан 352 дня]. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра — так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.

Существуют варианты ОС GNU, в которых вместо монолитного ядра применяется ядро Mach (такое же, как в Hurd), а поверх него крутятся в пользовательском пространстве те же самые процессы, которые при использовании Linux были бы частью ядра. Другим примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4 BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.

Смешанное ядро, в принципе, должно объединять преимущества монолитного ядра и микроядра: казалось бы, микроядро и монолитное ядро — крайности, а смешанное — золотая середина. В них возможно добавлять драйверы устройств двумя способами: и внутрь ядра, и в пользовательское пространство. Но на практике концепция смешанного ядра часто подчёркивает не только достоинства, но и недостатки обоих типов ядер.

Примеры: Windows NT, DragonFly BSD.

Основные сервисы.

Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисов.

Управление задачами. Самая главная группа сервисов. Позволяет разработчикам приложений проектировать программные продукты в виде наборов отдельных программных фрагментов, каждый из которых может относиться к своей тематической области, выполнять отдельную функцию и иметь свой собственный квант времени, отведенный ему для работы. Каждый такой фрагмент называется задачей. Сервисы в рассматриваемой группе обладают способностью запускать задачи и присваивать им приоритеты. Основной сервис здесь — планировщик задач. Он осуществляет контроль за выполнением текущих задач, запускает новые в соответствующий период времени и следит за режимом их работы.

Динамическое распределение памяти. Многие (но не все) ядра ОСРВ поддерживают эту группу сервисов. Она позволяет задачам заимствовать области оперативной памятидля временного использования в работе приложений. Часто эти области впоследствии переходят от задачи к задаче, и посредством этого осуществляется быстрая передача большого количества данных между ними. Некоторые очень малые по размеру ядра ОСРВ, которые предполагается использовать в аппаратных средах с строгим ограничением на объём используемой памяти, не поддерживают сервисы динамического распределения памяти.

Управление таймерами. Так как встроенные системы предъявляют жёсткие требования к временным рамкам выполнения задач, в состав ядра ОСРВ включается группа сервисов, обеспечивающих управление таймерами для отслеживания лимита времени, в течение которого должна выполняться задача. Эти сервисы измеряют и задают различные промежутки времени (от 1 мкс и выше), генерируют прерывания по истечении временных интервалов и создают разовые и циклические будильники.

Взаимодействие между задачами и синхронизация. Сервисы данной группы позволяют задачам обмениваться информацией и обеспечивают её сохранность. Они так же дают возможность программным фрагментам согласовывать между собой свою работу для повышения эффективности. Если исключить эти сервисы из состава ядра ОСРВ, то задачи начнут обмениваться искаженной информацией и могут стать помехой для работы соседних задач.

Контроль устройства ввода/вывода. Сервисы этой группы обеспечивают работу единого программного интерфейса, взаимодействующего со всем множеством драйверов устройств, которые являются типичными для большинства встроенных систем.

В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система, сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных, графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму.

Отличия от операционных систем общего назначения.

Многие операционные системы общего назначения также поддерживают указанные выше сервисы. Однако ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный, основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам, которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина, определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.

В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.

Планирование задач

Работа планировщика или диспетчер операционной системы.

Большинство ОСРВ выполняют планирование задач, руководствуясь следующей схемой. Каждой задаче в приложении ставится в соответствие некоторый приоритет. Чем больше приоритет, тем выше должна быть реактивность задачи. Высокая реактивность достигается путём реализации подхода приоритетного вытесняющего планирования (preemptive priority scheduling), суть которого заключается в том, что планировщику разрешается останавливать выполнение любой задачи в произвольный момент времени, если установлено, что другая задача должна быть запущена незамедлительно.

Описанная схема работает по следующему правилу: если две задачи одновременно готовы к запуску, но первая обладает высоким приоритетом, а вторая низким, то планировщик отдаст предпочтение первой. Вторая задача будет запущена только после того, как завершит свою работу первая.

Возможна ситуация, когда задача с низким приоритетом уже запущена, а планировщик получает сообщение, что другая задача с более высоким приоритетом готова к запуску. Причиной этому может послужить какое-либо внешнее воздействие (прерывание от оборудования), как, например, изменение состояния переключателя устройства, управляемого ОСРВ. В такой ситуации планировщик задач поведет себя согласно подходу приоритетного вытесняющего планирования следующим образом. Задаче с низким приоритетом будет позволено выполнить до конца текущую машинную команду (но не команду, описанную в исходнике программы языком высокого уровня), после чего выполнение задачи приостанавливается. Далее запускается задача с высоким приоритетом. После того, как она прорабатывает, планировщик запускает прерванную первую задачу с машинной команды, следующей за последней выполненной.

Каждый раз, когда планировщик задач получает сигнал о наступлении некоторого внешнего события (триггер), причина которого может быть как аппаратная, так и программная, он действует по следующему алгоритму.

Определяет, должна ли текущая выполняемая задача продолжать работать.

Устанавливает, какая задача должна запускаться следующей.

Сохраняет контекст остановленной задачи (чтобы она потом возобновила работу с места остановки)

Устанавливает контекст для следующей задачи.

Запускает эту задачу.

Эти пять шагов алгоритма также называются переключением задач.

Выполнение задачи

В обычных ОСРВ задача может находиться в 3-х возможных состояниях:

Задача выполняется;

Задача готова к выполнению;

Задача заблокирована.

Большую часть времени основная масса задач заблокирована. Только одна задача может выполняться на центральном процессоре в текущий момент времени. В примитивных ОСРВ список готовых к исполнению задач, как правило, очень короткий, он может состоять не более чем из двух-трёх наименований.

Основная функция администратора ОСРВ заключается в составлении такого планировщика задач.

Если в списке готовых к выполнению задач последних имеется не больше двух-трех, то предполагается, что все задачи расположены в оптимальном порядке. Если же случаются такие ситуации, что число задач в списке превышает допустимый лимит, то задачи сортируются в порядке приоритета.

Алгоритмы планирования

В настоящее время для решения задачи эффективного планирования в ОСРВ наиболее интенсивно развиваются два подхода.

Статические алгоритмы планирования (RMS, Rate Monotonic Scheduling). Используют приоритетное вытесняющее планирование. Приоритет присваивается каждой задаче до того, как она начала выполняться. Преимущество отдается задачам с самыми короткими периодами выполнения.

Динамические алгоритмы планирования (EDF, Earliest Deadline First Scheduling). Приоритет задачам присваивается динамически, причем предпочтение отдается задачам с наиболее ранним предельным временем начала (завершения) выполнения.

При больших загрузках системы EDF более эффективен, нежели RMS.

Взаимодействие между задачами и разделение ресурсов

Многозадачным системам необходимо распределять доступ к ресурсам. Одновременный доступ двух и более процессов к какой либо области памяти или другим ресурсам представляет определённую угрозу. Существует 3 способа решения этой проблемы.

Временное блокирование прерываний

Двоичные семафоры

Посылка сигналов

ОСРВ обычно не используют первый способ, потому что пользовательское приложение не может контролировать процессор столько, сколько хочет. Однако, во многих встроенных системах и ОСРВ позволяется запускать приложения в режиме ядра для доступа к системным вызовам и даётся контроль над окружением исполнения без вмешательства ОС.

На однопроцессорных системах наилучшим решением является приложение запущенное в режиме ядра, которому позволено блокирование прерываний. Пока прерывание заблокировано, приложение использует ресурсы процесса единолично и никакая другая задача или прерывание не может выполняться. Таким образом защищаются все критичные ресурсы. После того как приложение завершит критические действия, оно должно разблокировать прерывания, если таковые имеются. Временное блокирование прерывания позволено только тогда, когда самый долгий промежуток выполнения критической секции меньше, чем допустимое время реакции на прерывание. Обычно этот метод защиты используется только когда длина критического кода не превышает нескольких строк и не содержит циклов. Этот метод идеально подходит для защиты регистров.

Когда длина критического участка больше максимальной или содержит циклы, программист должен использовать механизмы идентичные или имитирующие поведение систем общего назначения, такие как семафоры и посылка сигналов.

Выделение памяти

Следующим проблемам выделения памяти в ОСРВ уделяется больше внимания, нежели в операционных системах общего назначения.

Во-первых, скорости выделения памяти. Стандартная схема выделения памяти предусматривает сканирование списка неопределённой длины для нахождения свободной области памяти заданного размера, а это неприемлемо, так как в ОСРВ выделение памяти должно происходить за фиксированное время.

Во-вторых, память может стать фрагментированной в случае разделения свободных её участков уже запущенными процессами. Это может привести к остановке программы из-за её неспособности задействовать новый участок памяти. Алгоритм выделения памяти, постепенно увеличивающий фрагментированность памяти, может успешно работать на настольных системах, если те перезагружаются не реже одного раза в месяц, но является неприемлемым для встроенных систем, которые работают годами без перезагрузки.

Простой алгоритм с фиксированной длиной участков памяти очень хорошо работает в несложных встроенных системах.

Также этот алгоритм отлично функционирует и в настольных системах, особенно тогда, когда во время обработки участка памяти одним ядром следующий участок памяти обрабатывается другим ядром. Такие оптимизированные для настольных систем ОСРВ, как Unison Operating System или DSPnano RTOS, предоставляют указанную возможность.

Первая функционально полная ОС – OS/360. Разработка и внедрение ОС позволили разграничить функции операторов, администраторов, программистов, пользователей, а также существенно (в десятки и сотни раз) повысить производительность ЭВМ и степень загрузки технических средств. Версии OS/360/370/375 – MFT (мультипрограммирование с фиксированным количеством задач), MVT (с переменным количеством задач), SVS (система с виртуальной памятью), SVM (система виртуальных машин) – последовательно сменяли друг друга и во многом определили современные представления о роли ОС в общей иерархии систем управления данными и задачами при обработке данных на ЭВМ.

В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ. Такие программы называют резидентными. К резидентным относят также и программы-драйверы, управляющие работой периферийных устройств. Важной частью ОС является командный процессор - программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС. Кроме того, к операционной системе следует относить богатый набор утилит - обычно небольших программ, обслуживающих различные устройства компьютера (например, утилита форматирования магнитных дисков, утилита восстановления необдуманно удаленных файлов и т.д.).

На рынке ОС для рабочих станций и домашнего применения лидером является Microsoft Windows, UNIX занимает только второе (Mac OS X), третье (GNU/Linux) и многие последующие места. В настоящее время UNIX-системы используются в основном на серверах, а также как встроенные системы для различного оборудования.

UNIX - семейство переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

UNIX-системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения. Также, в ходе разработки Unix-систем был создан язык Си.

Среди примеров известных UNIX-подобных операционных систем: BSD, Solaris, Linux, Android, MeeGo, NeXTSTEP, Mac OS X, Apple iOS.