Реализация понятия последовательного процесса в операционных системах

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескрип­тором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем случае дескриптор процесса, как правило, содержит следующую информацию:

- идентификатор процесса (Process Identifier, PID);

- тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые пра­вила предоставления ресурсов;

- приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ре­сурсы (в рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются бо­лее приоритетные процессы);

- переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится про­цесс (готов к работе, выполняется, ожидает устройства ввода-вывода и т. д.);

- контекст задачи, то есть защищенную область памяти (или адрес такой обла­сти), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, когда про­цесс прерывается, не закончив работы;

- информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользо­ваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных опера­циях ввода-вывода и др.);

- место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

Понятия вычислительного процесса и ресурса_______________________________ 35

- параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизи­роваться, и периодичность этой процедуры);

- в случае отсутствия системы управления файлами адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес па диске, куда она выгружается из оперативной па­мяти, если ее вытесняет другая задача (последнее справедливо для диск-резидент -ных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном маг­нитном диске и загружаются в оперативную память только на время выполнения).

Описатели задач, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего опи­сателя из одного списка в другой. Для каждого состояния (за исключением состо­яния выполнения для однопроцессорной системы) операционная система ведет соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Однако для со­стояния ожидания обычно имеется не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания. Например, состояний ожи­дания завершения операции ввода-вывода может быть столько, сколько устройств ввода-вывода имеется в системе.

В некоторых операционных системах количество описателей определяется жест­ко и заранее (на этапе генерации варианта операционной системы или в конфигу­рационном файле, который используется при загрузке ОС), в других по мере необходимости система может выделять участки памяти под новые описатели. На­пример, в уже мало кому известной системе OS/2, которая несколько лет тому назад многими специалистами считалась одной из лучших ОС для персональных компьютеров, максимально возможное количество описателей задач указывается в конфигурационном файле CONFIG.SYS. Например, строка THREADS=1024 в файле CONFIG.SYS означает, что всего в системе может параллельно существовать и вы­полняться до 1024 задач, включая вычислительные процессы и их потоки.

В ныне широко распространенных системах Windows NT/2000/XP количество описателей нигде в явном виде не задается. Это переменная величина, и она опре­деляется самой операционной системой. Однако посмотреть на текущее количе­ство таких описателей можно. Если, работая в Windows NT/2000/XP, нажать од­новременно комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Esc, появится окно Диспетчера задач. На вкладке Быстродействие этой программы мы увидим поле с названием Всего де­скрипторов и соответствующее число. Тут же указывается количество дескрипто­ров для управления потоками (задачами) и число полноценных вычислительных процессов. Более подробно о процессах и потоках см. далее.

В операционных системах реального времени чаще всего количество процессов фиксируется, и, следовательно, целесообразно заранее определять (на этапе гене­рации или конфигурирования ОС) количество дескрипторов. Для использования таких операционных систем в качестве систем общего назначения (что нынче уже нехарактерно)' обычно количество дескрипторов бралось с некоторым запасом,

¹ В недалеком прошлом достаточно часто и качестве вычислительных систем общего назначения при­обретались мини-ЭВМ и устанавливали на них ОС реального времени.

36_____________________________________________ Глава 1. Основные понятия

и появление новой задачи связывалось с заполнением этой информационной струк­туры. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть очень большим.

Для более эффективной обработки данных в системах реального времени целесо­образно иметь постоянные задачи, полностью или частично всегда существующие в системе независимо от того, поступило на них требование или нет. Каждая по­стоянная задача обладает некоторой собственной областью оперативной памяти (ОЗУ-резидентная задача, или просто резидентная задача) независимо от того, выполняется задача в данный момент или нет. Эта область, в частности, может использоваться для хранения данных, полученных задачей ранее. Данные могут храниться в ней и тогда, когда задача находится в состоянии ожидания или даже в состоянии бездействия.

Для аппаратной поддержки работы операционных систем с этими информацион­ными структурами (дескрипторами задач) в процессорах могут быть реализованы соответствующие механизмы. Так, например, в микропроцессорах Intel 80x86 (см. главу 4) имеется специальный регистр TR (Task Register), указывающий мес­тонахождение специальной информационной структуры — сегмента состояния задачи (Task State Segment, TSS), в котором при переключении с задачи на задачу автоматически сохраняется содержимое регистров процессора [1,8, 48].

Поскольку между терминами «процесс» и «задача» со временем появилось суще­ственное различие, мы сейчас подробно рассмотрим этот вопрос.