Лекция 5. Средства, механизмы, подсистемы ОС. Подсистема управления вводом-выводом. 
Подсистема управления данными

Поскольку, как мы уже упоминали, не существует единого понятия ОС, то не существует и единого понятия средств ОС. Фактически, можно ввести понятие средств как программы реализации функций ОС. Программный комплекс ОС может включать в себя как компоненты доступа к системе, упрощения этого доступа, повышения эффективности, так и настройки планирования и учета.

Выше говорилось о том, что перечисление функций ОС предполагает не только ответ на вопрос, что это за функции, но и ответ на то, в какой мере эти функции принадлежат ОС. Эта мера и есть механизм, реализующий определенную функцию. Мы можем перечислить некоторые механизмы ОС:

механизм мультипрограммирования;

механизм управления;

механизм, обеспечивающий методы доступа к ресурсам вычислительной системы;

механизмы защиты и привилегированных команд;

механизмы диспетчирования и временного запрещения доступа или замков.

Перечисленные механизмы, в зависимости от стратегии их реализации, могут быть как причислены к ОС, так и нет.

Напомним определение системы: система — это совокупность объектов и отношений между ними. Среда выполнения — совокупность памяти, команд процесса и прикладных программ, где программа становится активной.

Подсистемы По существу, подсистема — это набор функций, работающих как одно целое. Подсистема всегда устанавливает какую-то среду, имеющую заданные границы и обеспечивающую пользователей определенным набором услуг. Такой комплекс услуг позволяет осуществлять поддержку работы пользовательских заданий на всех этапах их прохождения через систему.

Подсистема есть некоторое расширение среды выполнения, предоставляющее полный комплекс высокоуровневых услуг программам выполняющимся под ее управлением. Кроме того, подсистема может распределять ресурсы, выделенные ей, и ее заданиям операционной системой. Вполне возможно, чтобы подсистема брала на себя ответственность за предоставление подчиненным ей заданиям областей памяти, процессорного времени и набора данных. Она может иметь свой командный язык, поддерживать несколько языков программирования, а также снабжать пользователей специальными утилитами, выполняющимися только в ее пределах.

Рассмотрим различия системных служб и подсистем.

Системные службы необходимы всем или почти всем заданиям, но используются каждым из них не слишком интенсивно, что объясняется ориентацией любой системной службы на обеспечение обработки программ только на каком-то конкретном этапе.

В то же время подсистемы нужны ограниченным (возможно, весьма небольшим) группам заданий, но зато соответствующие программы обращаются к механизмам подсистем с равномерно высокой интенсивностью.

Обычно подсистемы создаются уже после запуска основной ОС. Это происходит потому, что возникают новые потребности, удовлетворить которые было бы невозможно в рамках традиционного подхода без переделки системной структуры.

Даже если старую систему легко модифицировать, этого обычно стараются избежать, чтобы не осложнить работу программ, не нуждающихся в иных видах услуг. При определении новых функций всегда следует выбирать между реализацией в рамках прежних интерфейсов, расширением этих интерфейсов и созданием альтернативных. Подсистемы полезны в ситуации, когда преимущества от разделения базисных механизмов ОС, а также аппаратуры, полностью компенсируют неудобства и потери эффективности, определяемые параллельным применением подсистем в условиях их соперничества за ресурсы.

Разбиение всех функций на четко определенные группы облегчает эволюционные преобразования базисной системы и всех ее подсистем. Чем примитивнее базисная система, тем вероятнее реже в нее вносятся преобразования. Аналогично, чем ярче выражена специализация подсистемы и чем в меньшей степени она зависит от характеристик аппаратуры, тем проще по мере необходимости модифицировать и развивать ее.

Но любое распределение функций порождает проблемы.

Во-первых, создание специализированных интерфейсов приносит ощутимые результаты лишь тогда, когда они предельно просты и пользователю необходим лишь конкретный из них. Следовательно, при работе с подсистемой желательно не выходить за ее рамки.

Во-вторых, конкретная подсистемная среда может значительно стеснять работу программистов, если необходимо обращение к другим.

Создатели ОС, учитывая возрастающие потребности, могут предусмотреть специальные системные интерфейсы для взаимодействия с подсистемами. В отдельных случаях эти интерфейсы дают подсистемам особые привилегии, например, возможность использования всех средств, доступных в режиме супервизора.

Логически представляя понятие подсистемы, как базирующейся на основной системе, можно выработать близкую к современной точку зрения на ее организацию. В настоящее время термин «подсистема» часто употребляется для обозначения любого набора функций, не относящегося ни к ядру, ни к основной управляющей программе. Понятие подсистемы все более и более связывается с системной иерархией. Полагается, что пользовательские программы и программы ОС различаются лишь способами доступа к объектам.

Итак, ОС создает среду для работы других программ. Но последние, в свою очередь, могут создавать среды для программ, работающих под их управлением и т. д. Основная система следит лишь за тем, чтобы каждый из работающих под ее руководством процессов снабжал ресурсами лишь своих потомков, а также, запуская, останавливал или удалял из памяти только их. Некоторые разработчики вообще полагают, что ядро ОС должно быть по возможности более простым, и поэтому пользовательским программам необходимы проблемно-ориентированные интерфейсы, устанавливающие собственные стратегии использования системных ресурсов. Такие промежуточные системные уровни иногда и называются подсистемами, т.к.:

разработка базисной системы не требует учета разнообразных обобщений, а если система требует работы в различных режимах, то гораздо проще впоследствии обеспечить специальные сервисные механизмы;

оптимизировать работу пользователей каждого конкретного типа можно только путем обеспечения соответствующей подсистеме эффективного, а значит, простого базисного управляющего механизма;

новые подходы к использованию системы, включая применение специализированных интерфейсов, могут быть реализованы в виде новых подсистем (в этом случае основная задача разработчиков базисной системы состоит фактически в том, чтобы дать разработчикам подсистем наборы программных блоков, из которых с минимальными затратами можно конструировать необходимые структуры).

Действительно, если ОС предназначена для многочисленных пользователей с различными запросами, то, скорее всего, общими для них окажутся только те функции, которые относятся к самым низким системным уровням. Причем, по-видимому, чем серьезнее отличия между отдельными группами пользователей, тем вероятнее меньшим числом общих функций следует ограничиться. Команды обращений к базисным механизмам при этом упростятся, а специальные средства обработки будут реализованы в отдельных непересекающихся средах. Современный подход к системному программированию предполагает перенос центра тяжести запросов пользователей на разработку подсистем, как основных средств обработки запросов пользователей и отказ в рамках базисной ОС от универсальных средств, предназначенных для поддержки любых сред.

Понятие подсистемы представляет интерес при создании виртуальных машин, организации мини — сетей, а также многих мультипрограммных систем.

И наконец, неаккуратность разработки подсистем может привести к снижению эффективности работы между ними. Сделать такую связь возможной — это значит разработать системные механизмы, определяющие протоколы связи, а также создать средства преобразования данных из внутреннего формата одной базы данных во внутренний формат другой.

Поэтому при разработке программного комплекса, включающего в себя основную систему и несколько подсистем, всегда необходимо принимать принципиальное решение о том, какие функции сделать глобальными, т. е. такими, чтобы их выполнение (или, по крайней мере, запрос на выполнение) можно произвести в рамках любой подсистемы, а какие — локальными. В целом, это напоминает распределение функций между ядром и остальной частью ОС или минимальной базисной системой и остальной частью программного комплекса. Но есть все же и разница. Общие для подсистем функции могут быть очень сложными и совершенно непохожими на примитивные базисные механизмы.

Степень интеграции подсистемы в базисную систему во многом зависит от роли этой подсистемы в управлении ресурсами. В принципе, каждую подсистему можно полностью растворить в базисной, превратив ее всего лишь в пользовательский интерфейс. Подобная интегрированная система работает под управлением основной ОС. При этом интеграция всех без исключения подсистем способствует установлению более или менее равноправных отношений между пользователями, что безусловно важно, т.к. в конечном счете цель системы — обслуживать пользователей, а не подсистемы. Другой вариант — подсистема полностью отвечает за управление выделенными ей ресурсами. При этом основным механизмам ОС, включая диспетчер, недоступна никакая информация о реально выполняющихся прикладных программах.

Теперь рассмотрим различные специализированные подсистемы.

Подсистемы управления базами данных Здесь мы не будем рассматривать вопрос о концепциях баз данных, а лишь остановимся на основных характеристиках и особенностях подсистем управления базами данных.

Любой базе данных соответствует язык описания данных, служащий для определения логической структуры хранящейся информации, и система взаимоотношений между отдельными элементами данных. Поэтому относительно языка описания данных возникает неоднозначный вопрос о связи между структурами данных в языке программирования и структурами, которые можно определять с точки зрения языка описания данных.

Существуют две точки зрения на этот вопрос:

средства описания данных в языке программирования должны быть приближены к средствам, заложенным в язык описания данных (развитие этого подхода приводит к идее о полном отказе от определения структур данных в программе, а компиляторы при необходимости могут получать нужную им информацию из специальных словарей, поддерживаемых в рамках систем управления базами данных);

программисты имеют право определять в своих программах любые удобные им структуры данных для использования в пределах программ. И, следовательно, система управления базами данных должна заботиться об установке соответствия между собственной информационной структурой и структурами, которыми манипулируют пользовательские программы.

В базе данных обязательно существует механизм, устанавливающий соответствие между логическими и физическими уровнями представления информации, т. е. необходим механизм, преобразующий логические записи в физические и наоборот.

Необходим язык манипулирования данными, т. е. язык для обработки информации, что также является частью системы управления базами данных, наряду с механизмом соответствия. Этот язык представляет собой систему сложных макрокоманд среды выполнения, служащей для поиска данных форматирования полей и т. д. Кроме того, должен поддерживаться диалоговый режим запросов, предназначенный для обращения к базе с терминала.

Подсистема поддержки ввода-вывода Один из наиболее часто встречающихся элементов ядра — управляющая программа или супервизор ввода-вывода. На эту программу возлагается управление множества периферийных устройств системы. Супервизор ввода-вывода посылает запросы на обмен каналам и устройствам, а также уведомляет систему о состоянии последних.

Управление супервизору ввода-вывода может передаваться двумя способами:

результат запроса на ввод-вывод от высокоуровневой системы или прикладной программы;

при установлении в одном из устройств состояния, означающего окончание обмена или ошибку при передаче данных.

Считается, что супервизор не отвечает за распределение устройств и каналов, а только обслуживает обращения к ним с условием, что они уже распределены каким-либо другим механизмом.

Для успешного обслуживания необходимо иметь значительное количество информации, а именно:

адрес внешнего устройства;

функции обмена;

адрес данных на внешнем устройстве.

Вся эта сложно структурированная информация уже используется подсистемой ввода — вывода для проверки корректности запросов, проверки доступности каналов и внешних устройств.

Выводы.

• 1. Система — это совокупность объектов и отношений между ними.
• 2. Среда выполнения — совокупность памяти, команд процесса и прикладных программ, где программа становится активной.
• 3. Подсистема — это набор функций, работающих как одно целое.