Функции, назначение, классификация операционных систем.
Применительно к задачам средства связи, операционная система может рассматриваться как совокупность системных программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня производительности управляющего комплекса за счет автоматизированного управления работой средства связи и предоставляемого пользователю определенного набора услуг. Операционная система обеспечивает управление процессами, использующими программно-аппаратные ресурсы.
Под ресурсом понимается логический (программный) или физический компонент управляющего комплекса в совокупности с режимом обработки данных, используемых данным ресурсом. В более общем плане ресурс является физическим или логическим средством, необходимым для функционирования процесса. Ресурсом может быть как аппаратура (процессоры, оперативная память, каналы ввода-вывода, периферийные устройства), так и общие программы, файлы, адресное пространство, машинное время. В мультипроцессорных системах наиболее употребительными общими программными ресурсами являются системные таблицы, описывающие состояние системы и процессов, например, таблицы очередей к процессорам, таблицы очередей каналов ввода/вывода, таблицы распределения памяти.
Управление ресурсами со стороны операционной системы означает выполнение следующих действий:
Управление доступа к ресурсам со стороны внешних устройств и программ;
Распределение ресурсов между процессами (вычислительными задачами).
Основной задачей планирования для распределения ресурсов в вычислительной системе, в том числе в УК средства связи, является задача. Задача – это независимая единица (блок) вычислений, которая обладает собственными ресурсами и представляет собой реализацию процессов пользователя программного обеспечения средства связи. Типовой задачей является, например, реализация процесса обработки вызовов. Описание задачи, содержащее состав требуемых ресурсов, время работы задачи и другие условия выполнения, составляются пользователем/разработчиком и входят в состав задачи. Задача состоит из одного или нескольких процессов. В результате выполнения задачи реализуется требуемая функция средства связи.
Под процессом в общем понимается последовательность действий или процедур, необходимых для реализации той или иной задачи средства связи, предписанных у исполнению соответствующим алгоритмом. В более общем плане, процесс есть работа, производимая SISD-процессором при выполнении программы с данными. Это означает, что процесс является результатом взаимодействия процессор – загружаемая программа. Одна программа или система программ может порождать несколько процессов, каждый из которых работает над своим набором данных. К примеру, коммутационная программа, решающая задачу коммутации входа и выхода, может порождать процесс поиска свободного соединительного пути в коммутационное поле, процесс маршрутизации вызова, процесс занятия требуемых канальных временных интервалов между входом и выходом для соединения.
Итак, процесс использует ресурсы и поэтому является одной из единиц для планирования распределения вычислительных заданий в многопроцессорной системе. В составе процесса на уровне операционной системы выделяют один или несколько потоков управления данными или командами. Поток можно рассматривать как минимальную «единицу выполнения» или «единицу планирования» (scheduling). Потоки могут выполняться независимо друг от друга, что встречается достаточно редко. Гораздо чаще, для одновременного выполнения нескольких потоков требуется взаимодействие и синхронизация между ними, для чего в составе ОС применяются специальные службы и механизмы. Потоки могут создаваться и уничтожаться динамически, их количество внутри процесса может изменяться в зависимости от интенсивности и характера вычислительных задач.
Следует отметить, что более «узким» трактованием понятия «процесс» является выполняемое МПр программное приложение с собственным виртуальным адресным пространством, программным кодом, используемыми данными и другими ресурсами операционной системы, такими как файлы.
Процессы могут находиться в последовательно сменяющих друг друга состояниях:
Выполнение (активное состояние) – процесс непосредственно исполняется МПр.
Ожидание (пассивное состояние) – процесс заблокирован по внутренним, по отношению к процессу, причинам; для его запуска на исполнение должно наступить некоторое событие, например таймер выдержки времени устанавливается в 0.
Готовность (пассивное состояние) – процесс заблокирован по внешним по отношению к процессу причинам; например МПр временно занят выполнением других процессов.
Каждый процесс характеризуется своим описанием, которое называется дескриптором. Дескриптор – служебное машинное слово, которое создается специальной программной процедурой перед выполнением процесса на основе описания задачи и информации, имеющейся в программе, загружаемой в МПр. Дескрипторы хранятся в системной области памяти МПр и используются во время работы процесса. Уничтожение процесса вызывает также и уничтожение дескриптора. Дескриптор содержит описание идентификатора процесса, сведения о состоянии процесса, данные о приоритете процесса, место нахождения в физической памяти машинного кода, реализующего процесс, информация о ресурсах, которыми процесс может пользоваться (например, открытые файлы, устройства ввода/вывода). Процессы могут объединяться в очереди с определенной дисциплиной обслуживания, например «первый пришел – первый ушел» FIFO (fist input, fist out).
Очереди процессов представляют собой дескрипторы отдельных процессов, объединенные в списки. Таким образом, каждый дескриптор, кроме перечисленной выше информации, содержит по крайней мере один указатель на другой дескриптор, соседствующий с ним в очереди. Также дескрипторы формируются для ресурсов и классов ресурсов. В класс объединяются однотипные ресурсы. Дескриптор класса ресурсов создается операционной системой и обычно содержит следующие компоненты:
Имя класса ресурса
Состав ресурса, например: число процессоров в системе; число сегментов, страниц основной памяти.
Таблицу занятости единиц ресурса, которая указывает имена процессов, занимающих каждый ресурс.
Описание очереди ждущих процессов, которое указывает число элементов очереди, адреса начального и конечного элементов очереди.
Адрес или имя распределителя, ответственного за порядок занятия единиц ресурса процессами. Распределитель процессора обычно называется планировщиком или диспетчером.
Дескриптор может применять для описания массивов данных и команд. В этом случае дескриптор содержит сведения о размере массива данных, его местоположении в адресном пространстве, адресе начала массива, типе данных, режиме защиты данных и некоторые другие параметры данных. В частности, задание в дескрипторе размера массива данных позволяет контролировать выход за границу массива данных при индексации его элементов для ускорения поиска информации. При использовании дескрипторов обращение к информации в памяти производится только через них, т.е. дескрипторы можно рассматривать как дальнейшее развитие способа косвенной адресации.
Распределение ресурсов – важнейшая из функций, которые реализует ОС. Именно особенности выполнения данной функции являются определяющими для классификации ОС по признакам, приведенным на рис.2.
Рис.2 – Классификация операционных систем.
По количеству пользователей однопользовательская операционная система может обслуивать только одного пользователя. Многопользовательская ОС позволяет создавать одноранговую или иерархическую вычисительную сеть с обслуживанием множества пользователей. Далее подробнее рассмотрим классификацию «Тип доступа пользователя к системе».
Пакетная обработка – режим выполнения совокупности задач, при котором все задачи выполняются автоматически, без синхронизации с событиями вне данной системы обработки информации, в частности без связи с лицами, представившими задание для выполнения. ОС с пакетной обработкой предусматривают, что из программ, подлежащих исполнению формируется пакет, который загружается в управляющий комплекс и далее обрабатывается ОС и МПр. В этом случае пользователи непосредственно с ОС в процессе выполнения пакета не взаимодействуют.
Разделение времени – процесс обработки информации, при котором ресурсы системы обработки информации (микропроцессорная система) предоставляются каждому процессу из группы процессов обработки информации на интервалы времени длительность и очередность предоставления которых определяются управляющей программой системы обработки информации с целью обеспечения одновременной работы процессов данной группы в интерактивном режиме.
Интерактивный режим – режим взаимодействия в процессе обработки информации с человеком, выражающийся в разного рода воздействиях на этот процесс, предусмотренных механизмом управления конкретной системы и вызывающих ответную реакцию процесса.
ОС с разделением времени обеспечивают одновременный интерактивный доступ нескольких пользователей через ОС к ресурсам управляющего комплекса. Ресурсы выделяются каждому пользователю «по очереди» на определенное время, согласно установленной дисциплине обслуживания, по приоритету.
Для многопользовательских и многозадачных ОС различают две основные дисциплины обслуживания процессов с точки зрения выделения процессорного времени на ту или иную задачу. Это вытесняющий и согласующий режим многозадачной работы.
При вытесняющем режиме распределением процессорного времени занимается только ОС, в результате чего для выполнения каждой задачи МПр занимается на строго определенный интервал времени с учетом приоритета задачи. Достоинством вытесняющего режима является отсутствие монопольного доступа к МПр для любой программы или задачи. Здесь же возможен запуск программ по предварительно составленному расписанию. Недостатком вытесняющего режима является негибкое и малоэффективное использование ресурсов процессора, например в том случае, если задача требует больше времени на исполнение, чем отведено расписанием.
При согласующем режиме каждая задача, получив управление ресурсами и доступ к МПр, сама определяет, когда МПр следует «отдать» другой задаче. Достоинством согласующего режима является возможность эффективного использования ресурсов процессора в случае перегрузок и критических повреждений, когда процессора должен обслуживать только программы самовосстановления, тестирования, эксплуатации или испытательно-наладочных программ.
Недостатком согласующего режима является возможность монопольного доступа к процессору со стороны одной программы, что влечет за собой остановку выполнения других программ и повышает вероятность перезагрузки/перезапуска в случае, если произошел сбой «многопольной» программы.
Под сетевой операционной системой понимается операционная система, обеспечивающая обработку, хранение и передачу данных в информационно-вычислительной сети. Сетевая ОС определяет взаимосвязанную группу протоколов верхних уровней модели взаимосвязи открытых систем, обеспечивающих основные функции информационно- вычислительной сети: адресацию объектов, функционирование служб, обеспечение безопасности данных, управление сетью.
В средствах связи, в связи с чрезвычайно жесткими требованиями к гарантированному времени обработки данных, применяются операционные системы реального времени (ОС РВ). Поэтому в дальнейшем рассмотрим ОС РВ более подробно.
Это электрически перестраиваемая емкость на основе обратносмещённого p-n-перехода. Варикапы предназначены для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения.
, где С0 – емкость при напряжении равном нулю, U – напряжение на емкости, φк – контактная разность потенциалов, ν – равна 1/2 - 1/3 (в зависимости от способа изготовления
Основные параметры варикапа:
1) Ёмкость при определённом обратном напряжении.(Св ,U=5в)
2) Коэффициент перекрытия: Кп = Св max/Cв min. (5 – 8)
, где С0 – емкость при напряжении равном нулю, U – напряжение на емкости, φк – контактная разность потенциалов, ν – равна 1/2 - 1/3 (в зависимости от способа изготовления