Ресурсы автоматизированных систем, классификация. Роль операционной системы в распределении ресурсов.

Одной из важнейших функций ОС является функция обеспечения эффективного и бесконфликтного способа распределения ресурсов ЭВМ между различными решаемыми в данный момент задачами. Здесь задача – набор операций (машинных инструкций), предназначенных для выполнения логически законченных функций системы.

Если представить, что вычислительная система это ограниченная последовательность функциональных элементов, обладающих потенциальными возможностями выполнения с их помощью действий, связанных с получением обработкой, хранением или передачей данных, то ресурс можно определить как средство вычислительной системы, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени.

Под процессом будем понимать некоторую последовательность действий, связанных с исполнением программы процессором.

Кроме того, ресурс можно определить как термин, описывающий физическое устройство или область памяти, которые могут одновременно использоваться только одной задачей.

Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа — это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс — это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы.

Основными ресурсами вычислительной системы являются:

• процессоры;
• области основной памяти;
• наборы данных;
• периферийные устройства;
• программы.

Для осуществления планирования и распределения ресурсов ОС необходима информация об их свойствах, что достигается введением упорядочения ресурсов по ряду классификационных признаков.

Классификация ресурсов

№п/п	Классификационный признак	Содержание класса
1.	Реальность существования	А. Физический Б. Виртуальный
2.	Возможность расширения средств	А. Эластичный Б. Жесткий
3.	Степень активности	А. Активный Б. Пассивный
4.	Время существования	А. Постоянный Б. Временный
5.	Степень важности	А. Главный Б. Второстепенный
6.	Стоимость	А. Дорогой Б. Дешевый
7.	Структура	А. Простой Б. Сложный
8.	Восстанавливаемость	А. Воспроизводимый Б. Потребляемый
9.	Характер использования	А. Параллельно-используемый Б. Последовательно-используемый
10.	Форма реализации	А. Мягкий Б. Твердый

Первый классификационный признак - “Реальность существования” ресурса. Разделение ресурсов на физические и виртуальные (от англ. Virtual - возможный) в настоящее время самый распространенный способ различения ресурсов. Под физическим понимают ресурс, который реально существует и при распределении его между процессами в ВС обладает всеми присущими ему физическими характеристиками. Примерами такого вида ресурсов являются мониторы, манипулятор “мышь”, принтер и т.п. Виртуальный ресурс - это некоторая модель физического ресурса. Он не существует в том виде, в котором представляет себя процессу, обеспечивая, тем не менее, все необходимые потребительские качества. Примером виртуального ресурса является повсеместно применяемая сейчас виртуальная память вычислительных систем.

Признак “Возможность расширения свойств” характеризует ресурс с точки зрения возможности построения на его основе некоторого виртуального ресурса. Физический ресурс, допускающий виртуализацию,т.е. размножение или расширение свойств, называют эластичным. В противном случае ресурс называется жестким. Примером жесткого ресурса является центральный процессор, эластичного - основная память компьютера.

Признак “Степень активности” отражает способность ресурса воздействовать на другие ресурсы ВС. Ресурс называется активным, если при его использовании он способен выполнять действия по отношению к другим ресурсам. В противном случае ресурс называется пассивным. Центральный процессор представляет собой пример активного ресурса, а область памяти, выделяемая процессу - пассивного.

Различие ресурсов по признаку “Время существования” обусловлено динамикой ресурсов в отношении процессов, использующих их. Если ресурс существовал в системе до момента порождения процесса и доступен для использования на всем интервале времени существования процесса, то такой ресурс рассматривают как постоянный для данного процесса. Временный ресурс может появляться или уничтожаться в системе динамически в течение времени существования данного процесса.

Необходимость различать ресурсы по признаку “Степень важности” обусловлена двумя причинами: во-первых, необходимостью обеспечения должной работоспособности и, во-вторых, требованиями увеличения гибкости управления процессами и распределения ресурсов. Различают главные и второстепенные ресурсы. Ресурс является главным по отношению к конкретному процессу, если без его выделения процесс принципиально не может развиваться. Ресурсы, в отсутствие которых возможно некое альтернативное развитие процесса, называются второстепенными. К классу главных относятся такие ресурсы, как центральный процессор, оперативная память и т.п. К классу второстепенных ресурсов можно отнести принтеры, магнитные ленты и магнитные диски.

Разделение ресурсов по признаку “Стоимость” на дорогие и дешевые связано с реализацией принципа функциональной избыточности при распределении ресурсов. В большинстве случаев цена за использование ресурсов является функцией быстродействия данного ресурса - чем выше быстродействие, тем выше цена. В большинстве систем у пользователя имеется возможность выбора - получить быстро необходимый ресурс и дорого за это заплатить, либо подождать выделения требуемого ресурса и после его использования заплатить за него дешево. При наличии в системе альтернативных ресурсов разного качества вводятся и разные цены за их использование. Примером может служить наличие в общем программном обеспечении ВС двух и более трансляторов (или компиляторов) с одного того же входного языка, отличающихся уровнем оптимизации в отношении генерируемой объективной программы. Каждый такой транслятор представляет собой альтернативный ресурс, обладающий своими характеристиками по затратам времени центрального процессора, объемов оперативной и внешней памяти и, следовательно, ценой за его использование.

Классификационным признаком “Структура” ресурсы разделяются на простые и составные. Ресурс является простым, если он, с точки зрения управляющей программы ВС, не содержит составных элементов и должен быть выделен процессу как единое целое. Составной ресурс характеризуется некоторой структурой, и при каждом акте распределения процесс может получить один или несколько составных частей такого ресурса. Простой с составной ресурсы различаются количеством своих состояний. Простой ресурс может находиться в одном из двух состояний - “занят” и “свободен”. Составной ресурс имеет более двух состояний: “свободен” - все элементы ресурса свободны; “занят” - все элементы ресурса распределены процессом; “частично занят” - часть элементов ресурса распределена процессом, остальные свободны. Иногда говорят о доле занятости составного ресурса (“занято 20%”, “свободно 50%” и т.п.) Примерами простого ресурса является центральный процессор, принтер, модем и т.п. Примером составного ресурса является оперативная память компьютера. Любая операционная система имеет в своем составе механизмы учета ресурсов и их состояний, а также перевода ресурсов из одного состояния в другое.

Характер использования ресурсов устанавливается признаком “Восстанавливаемость”. Если при распределении системой некоторого ресурса допускается многократное выполнение действий последовательности ЗАПРОС-ВЫДЕЛЕНИЕ-ИСПОЛЬЗОВАНИЕ-ОСВОБОЖДЕНИЕ (З-В-И-О), то такой ресурс называют воспроизводимым. Иногда такого вида ресурсы называют также постоянными, поскольку они всегда находятся в составе ресурсов ВС. В отношении определенной категории ресурсов многократное применение последовательности З-В-И-О невозможно, поскольку на каком-либо цикле работы с ними может наступить ситуация исчерпания ресурса, т.е. обрыв последовательности на шаге ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, после чего такой ресурс изымается из использования. Ресурсы с таким свойством называются потребляемыми. Примерами воспроизводимого ресурса являются процессоры, оперативная память, а потребляемого - гибкие магнитные диски (дискеты), используемые для сохранения данных, магнитные ленты стримеров и т.п.

Природа ресурса отражается классификационным признаком “Характер использования”. Ресурс называется последовательно-используемым, если он может использоваться одновременно только одним процессом. К такого рода ресурсам относятся центральный процессор, принтеры, файлы внешних носителях. Если ресурс одновременно может быть выделен и использован несколькими параллельно работающими процессами, то он называется параллельно-используемым ресурсом. Примером такого ресурса является оперативная память ЭВМ. Для обозначения последовательно-используемого ресурса употребляют также термины “монопольно-используемый ресурс” и “критический ресурс”. Параллельно-используемые ресурсы называют разделяемыми ресурсами. Заметим, что один и тот же ресурс может выступать как последовательно-используемый, так и параллельно-используемый. Пример с файлами на внешних носителях: при записи файла на диск или его редактировании он является последовательно-используемым, а при чтении и просмотре - параллельно-используемый.

По признаку “Форма реализации” различают твердые и мягкие ресурсы. Под твердыми ресурсами понимают аппаратные компоненты вычислительной системы (от англ. Hardware - твердое изделие, дословно - скобяной товар). Остальные ресурсы называют мягкими (от англ. Software - мягкое изделие).

Виртуальные ресурсы

Построение виртуальных ресурсов, их распределение и использование присущи в той или иной мере всем операционным системам, начиная с первых их моделей. Сам термин “виртуальность” происходит от английского слова Virtual (возможный) и обозначает “возможность”, так что говоря о виртуальных ресурсах, виртуальных машинах и других виртуальных вещах, мы говорим о возможных ресурсах, машинах и т.п.

Виртуальность в операционных системах, впрочем, как и в других предметных областях, основана на том, что потребитель (в ОС - процесс) взаимодействует с необходимым ему ресурсом не прямо, а опосредованно (в вычислительной системе - через ОС).

Такой способ организации выделения ресурсов потребителю позволяет посреднику (в частности, ОС) осуществить (при необходимости) замену одного вида реального (физически существующего ресурса другим (или совокупностью других), причем так, чтобы потребитель этой подмены не заметил. Это возможно, если потребительские свойства предоставленного операционной системой пользователю ресурса-заменителя не хуже тех, которыми обладает запрошенный пользователем ресурс. Реализация подмены одного ресурса другим осуществляется в ОС методом моделирования потребительских свойств ресурсов. Теперь можно дать определение виртуального ресурса ВС.

Виртуальный ресурс вычислительной системы - это такой ресурс ВС, который реально может либо не существовать в вычислительной системе, либо существовать с худшими, чем необходимо процессу обработки данных, свойствами и формируемый управляющей программой ВС в виде модели ресурса с требуемыми потребительскими свойствами с использованием реально существующих ресурсов вычислительной системы.

В качестве примера виртуального ресурса можно привести виртуальную память современных ЭВМ и, в частности, персональных компьютеров. Реально существующая оперативная память ПК в зависимости от конфигурации машины составляет 1, 2, 4, 8, 16, 32,...,256 Мбайт. Наиболее распространенными являются ОЗУ объемом 16 и 32 Мбайта. Вместе с тем операционные системы Windows NT, Windows 95 позволяют выполнять прямую адресацию данных на непрерывном пространстве оперативной памяти до 4 Гбайт, т.е. эти операционные системы предоставляют пользователю ОЗУ, с большим в 100 раз объемом, чем физическая оперативная память. Виртуализация память в подобного вида операционных системах обеспечивается “продолжением” ОЗУ на дисковое пространство накопителей на жестких магнитных дисках, т.е. моделирования пространства ОЗУ с использованием пространства внешней памяти компьютера.

Трудно переоценить важность функции ОС в организации взаимодействия различных задач при доступе к общим ресурсам.

Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является назначением операционной системы. Например, мультипрограммная операционная система организует одновременное выполнение сразу нескольких процессов на одном компьютере, поочередно переключая процессор с одного процесса на другой, исключая простои процессора, вызываемые обращениями процессов к вводу-выводу. ОС также отслеживает и разрешает конфликты, возникающие при обращении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввода-вывода или к одним и тем же данным. Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важен такой критерий, как пропускная способность вычислительной системы, в других — время ее реакции. Соответственно выбранному критерию эффективности операционные системы по-разному организуют вычислительный процесс.

Управление ОС ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

· планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;

· удовлетворение запросов на ресурсы;

· отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

· разрешение конфликтов между процессами.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.

Представим, что несколько задач пытаются одновременно выводить данные на принтер. На распечатке в результате ничего, кроме странной мешанины символов, мы не увидим. В качестве другого примера рассмотрим ситуацию, когда в бортовом компьютере мирно летящего самолета МИГ_29 среди прочих работают две задачи. Одна из них, взаимодействуя с радиолокационной системой, выдает удаление и направление до цели, а другая задача использует эти данные для пуска ракет класса «воздух-воздух». Не исключено, что первая задача, записав в глобальную структуру данных удаление до цели, будет прервана второй задачей, не успев записать туда направление до цели. В результате вторая задача считает из этой структуры ошибочные данные, что может привести к неудачному пуску со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Прервись первая задача чуть позже, и все было бы нормально.

Упомянутые здесь проблемы обусловлены времязависимыми ошибками, или «гонками» и характерны для многозадачных ОС. Приведенный пример показывает, что ошибки, обусловленные «гонками», а) характерны для работы с любыми ресурсами, доступ к которым имеют несколько задач, и б) происходят только в результате совпадения определенных условий, а потому с трудом обнаруживаются на этапе отладки.

Действия над ресурсами

В отношении каждого ресурса предполагается, выполнение трех типов действий: запрос, использование, освобождение.

При выполнении действия запрос в ответ на требование задачи система выделяет ресурс, либо отказывает в предоставлении (распределении).

Отказ может быть вызван тем, что распределяемый ресурс находится в состоянии "Занят" либо обусловлен какой-то другой причиной. Если ресурс после выполнения действия запрос распределен задаче, задача может использовать его. Выполняется действие использование.

Действие освобождение выполняется ОС по требованию задачи и сводится к переводу ресурса в состояние "Свободен".

Дата добавления: 2015-08-02