Для понимания обобщенной структуры многоуровневой операционной системы рассмотрим пример, приведенный в [2].
- Уровень 1. В него входят электронные схемы – регистры, ячейки памяти, логика. Над элементами этого уровня выполняются такие действия, как очистка содержимого, считывание содержимого и т.д.
- Уровень 2. Набор команд процессора. На этом уровне выполняются такие операции, как сложение, вычитание, пересылки и т. д.
- Уровень 3. Содержит концепцию процедуры (подпрограммы), а также операции вызова и возврата.
- Уровень 4. Уровень прерываний. Здесь организуется выполнение процессором процедуры обработки прерывания с сохранением текущего контекста.
Реально перечисленные уровни не входят в операционную систему, они представляют аппаратную реализацию процессора. Однако, здесь появляются элементы, которые можно отнести к понятию операционной системы – процедуры обработки прерываний.
- Уровень 5. Уровень процесса, под которым понимается работающая программа. Фундаментальное требование к многозадачной операционной системе – способность приостанавливать процессы и возобновлять их выполнение.
- Уровень 6. Здесь осуществляется работа на физическом уровне со вспомогательными устройствами памяти компьютера.
- Уровень 7. Создает логическое адресное пространство процессов. Этот уровень организует виртуальное адресное пространство в виде блоков, которые могут перемещаться между основной памятью и вспомогательной. В качестве блоков могут использоваться страницы постоянного размера, сегменты переменного размера или комбинация тех и других. Если нужный блок отсутствует в основной памяти, формируется запрос уровню 6 о передаче этого блока.
- Уровень 8. Отвечает за обмен информацией и сообщениями между процессами. Одним из инструментов этого уровня является канал, передающий выход одного процесса на вход другого. На этом уровне может осуществляться связь с процессами внешних устройств или с файловыми процессами.
- Уровень 9. Обеспечивает долгосрочное хранение файлов. Здесь используется логический уровень хранения (название файла, длина) в отличие от физического уровня хранения (дорожка, сектор, головка) уровня 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 (имя файла и его дескриптор). Эта связь поддерживается с помощью каталога, который содержит взаимное отображение внешних и внутренних идентификаторов и права доступа.
- Уровень 12. Предоставляет полнофункциональные средства поддержки процессов. В отличие от уровня 5, на котором реализована поддержка регистров процессора и логика диспетчеризации, на этом уровне поддерживается виртуальное адресное пространство, список объектов и процессов взаимодействия, правила и ограничения этого взаимодействия.
- Уровень 13. Обеспечивает взаимодействие операционной системы с пользователем. Этот уровень обычно называется оболочкой (shell). Оболочка принимает команды пользователя, интерпретирует их, создает необходимые процессы и управляет ими. На этом уровне создаются графические оболочки.
Представим иерархическую модель операционной системы в виде таблицы 5.1.
Таблица 5.1 – Иерархическая модель операционной системы
Уровень
Название
Объекты
Операции
Оболочка
Среда программирования пользователя
Инструкции командного языка оболочки
Процессы пользователя
Процессы пользователя
Завершение, приостановка, возобновление процесса
Каталоги
Каталоги
Создание, удаление, подключение, поиск
Устройства
Внешние устройства (принтер, монитор, мышь)
Открытие, закрытие, чтение, запись
Файловая система
Файлы
Создание, удаление, открытие, закрытие, чтение, запись
Коммуникации
Конвейеры
Создание, удаление, открытие, закрытие, чтение, запись
Первой системой, построенной таким образом, была система THE, созданная в Technische Hogeschool Eindhoven в Нидерландах Э. Дейкстрой и его студентами в 1968 году. Это была простая пакетная система для компьютера Electrologica X8, память которой состояла из 32 К 27-разрядных слов. Система состояла из шести уровней, как показано в таблице 5.1. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы при возникновении прерываний или при срабатывании таймера. То есть, уровень 0 обеспечивал базовую многозадачность процессора.
Уровень 1 управлял памятью. Он выделял процессам пространство в оперативной памяти и на магнитном барабане объемом 512 К слов для тех частей процессов (страниц), которые не помещались в оперативной памяти. Программное обеспечение уровня 1 обеспечивало попадание нужных страниц в оперативную память по мере необходимости.
Таблица 5.2 – Структура операционной системы THE
Уровень
Функция
Оператор
Программы пользователя
Управление вводом-выводом
Связь оператор-процесс
Управление памятью и барабаном
Распределение процессора и многозадачность
Уровень 2 управлял связью между консолью оператора и процессами.
Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним или от них.
На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, на об управлении устройствами ввода-вывода.
На уровне 5 размещался процесс системного оператора.
