Общие тенденции в реализации архитектуры ОС

1. Модульность

Ос состоит из множества программных модулей. Модуль ОС – функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.

Во всех ОС модули делятся на две группы:

· Ядро операционной системы – модули, исполняющие базовые функции. Это наиболее часто используемые системные модули (как правило, модуль управления системой прерываний, модуль управления процессами, модуль управления файловой системой, модуль управления памятью).

Модули ядра постоянно располагаются а памяти (резидентные модули), оформлены в виде модулей специального формата.

· Вспомогательные модули – модули, загружаемые в память только при необходимости (транзитные модули): утилиты обслуживания диска, системы инструментальные, текстовые и графические редакторы ОС, графические пользовательские интерфейсы, библиотеки API и др.

2. Поддержка специального режима работы

Для повышения надежности и безопасности системы ядро ОС и низкоуровневые драйверы, управляющие работой каналов и устройств ввода-вывода, должны работать в специальном (привилегированном) режиме работы процессора, недоступном пользовательским программам. Вспомогательные модули ОС и пользовательские программы работают в пользовательском режиме.

Поддержка привилегированного и пользовательского режимов невозможна без специальных аппаратных решений процессора. Процессор Intel Pentium поддерживает 4 уровня привилегий (4 кольца: 0 ‑ самый высокий уровень привилегий, 3 – самый низкий), но операционные системы Windows и Unix используют только два.

Процессы, работающие в режиме ядра (привилегированный режим)

- имеют прямой доступ к аппаратному обеспечению;

- имеют доступ ко всей памяти компьютера;

- не могут быть вытеснены в страничный файл на жестком диске;

- выполняются с большим приоритетом, чем процессы режима пользователя.

Компоненты режима ядра защищены архитектурно: процессор предотвращает их изменение другой программой.

Процессы режима пользователя

- не имеют прямого доступа к аппаратуре, это защищает систему от неисправных приложений или неавторизированного доступа;

- ограничены выделенным им адресным пространством. Этим обеспечивается целостность ОС;

- могут быть вытеснены из физической памяти в страничный файл на жестком диске.

- выполняются с меньшим приоритетом, чем процессы режима ядра.

Процессор не должен позволять обращаться пользовательским программам к своим специальным системным регистрам. Попытка вызвать запрещенную команду или обратиться к запрещенному регистру должна вызывать прерывание (исключение).

Прикладные программы обращаются к модулям ядра операционной системы с соответствующим запросом (вызов функций API). При этом процессор переключается в привилегированный режим.

Недостаток: дополнительные затраты времени на переключение режимов.

3. Реализация многослойной структуры ОС

Все модули ОС и модули ядра работают как множество слоев (уровней иерархии). Самый нижний уровень – аппаратный (машинно-зависимый). Он пишется на языке ассемблера и ориентирован на работу с конкретной аппаратной реализацией. Это позволяет обеспечить переносимость ОС на новую платформу, не изменяя содержимого остальных модулей. Другие модули ядра обращаются с аппаратурой только через модуль аппаратной поддержки.

Модули одного слоя общаются друг с другом непосредственно, модули более высокого слоя обращаются только к модулям ближайшего нижнего слоя через межмодульный интерфейс.

"Молодые" (развивающиеся) ОС (например,Linux) имеют более многослойное ядро, чем "старые" (Unix).

Такая организация повышает надежность и защищенность работы системы, поддерживает переносимость, но приводит к замедлению работы ядра.

4.Совместимость с другими ОС и поддержка множественных прикладных сред

Современные операционные системы поддерживают как приложения, оптимизированные для работы в них, так и приложения, написанные для реализации в других ОС.

Прикладная среда – совокупность средств ОС, предназначенных для организации выполнения приложений, использующих

· определенную систему команд,

· определенный тип API,

· определенный формат исполняемой программы.

Способы построения множественных прикладных средств:

· эмуляция (моделирование выполнения каждой команды), например, режим эмуляции MS DOS в операционных системах Windows;

· трансляция системных вызовов. В пользовательском режиме запускается транслятор, переводящий каждую функцию обращения "чужого" приложения к "чужому" API в обращение к функции "родного" API;

· встраивание в ядро ОС множества прикладных средств. Так реализована работа с множественными прикладными средами в OS2.

Микроядерные ОС – ОС, в состав ядра которых включено минимально необходимое количество модулей. Как правило, это 5 сервисов (сервис – совокупность клиента и сервера):

· управление виртуальной памятью,

· поддержка заданий и потоков,

· взаимодействие между процессами

· управление поддержкой ввода-вывода и прерываниями,

· сервисы главного компьютера сети и процессора.

Другие подсистемы и функции операционной системы оформляются как обычные пользовательские системы или как системные сервисы, работающие в режиме пользователя. По этому принципу организована ОС QNX.

Микроядерные ОС поддерживают модель клиент-сервер при организации обращения пользовательских программ к системным модулям, работающим в режиме пользователя, и для поддержки механизма вызова между серверами ОС. Микроядро при этом исполняет роль транспортных средств (рис. 1). Защита системных модулей, работающих в режиме пользователя, реализуется на уровне процессора (все приложения в многопроцессорной операционной системе изолированы!).

Достоинства:

· простое и оптимизированное ядро (например, для работы в реальном времени),

· возможность наращивания и изменения функций ОС без изменения ядра,

· надежность организации, так как запуск или остановка каждого компонента, который представляет собой независимый процесс системы не отражается на работоспособности остальных процессов.

4. Опишите структуру ОС. Приведите требования и характеристики ОС верхнего и нижнего уровней АСУ ТП.

Структура ОС

В состав операционной системы входят следующие подсистемы:

1. Управление процессами.
- создание и удаление процессов
- приостановку и возобновление процессов
- обеспечение механизмов для синхронизации процессов
- обеспечение механизмов для взаимодействия процессов

2. Управление основной памятью.
- ведет учет того, какая часть памяти в настоящий момент занята;

-принимает решение о загрузке процессов при освобождении пространства ОП;

-распределяет и освобождает пространство ОП в соответствии с действующими стратегиями.

3. Управление внешней памятью.
- управление свободным пространством
- распределение памяти
- управление диском

4. Управление устройствами ввода/вывода.
- системы кэширования-буферирования
-общий интерфейс драйверов устройств
- драверы специализированных утройств

5. Управление файлами.
- создание и удаление файлов и подкатологов
- поддержка операций манипулирования файлами и каталогами
-представление файлов во внешней памяти
-выгрузку файлов на другие внешние устройства

6. Защита системы.
- наличие механизма для управление авторизацией и правами доступа

7. Сетевая поддержка.
- поддержка сетевого обмена, его надёжности и постоянства скорости.

8. Командный интерфейс системы.

-создание и управление процессов;

-управление вводом/выводом;

-управление внешней памятью;

-управление основной памятью;

-доступ к файловой системе;

-защиту;

-поддержку работы сети.

Сервисы операционных систем:

1) выполнение программ - способность системы загружать программу в память и выполнять ее;

2) операции ввода/вывода. Поскольку пользовательские программы не могут исполнять операции ввода/вывода непосредственно, ОС должна обеспечивать некоторые средства для их выполнения;

3) манипуляции с файловой системой выражаются в обеспечении способности читать, писать, создавать и удалять файлы;

4) взаимодействие и обмен информацией между выполняющимися процессами на одном компьютере или на различных системах, связанных посредством сети, осуществляется через распределенную память или передачу сообщений;

5) обнаружение ошибок - гарантия правильности вычислений посредством обнаружения ошибок в процессоре, памяти, устройствах ввода/вывода или в пользовательских программах.

Приведите требования и характеристики ОС верхнего и нижнего
уровней АСУ ТП.

Условно иерархию АСУ ТП можно разделить на два уровня: нижний и верхний уровень. Нижний уровень АСУ ТП содержит полевое оборудование (датчики и исполнительные механизмы), а также программируемые логические контроллеры (ПЛК). Верхний уровень представляет из себя систему оперативной визуализации и контроля за технологическим процессом, SCADA система. ПЛК являются ответственной частью АСУ ТП, которая выполняет функцию сбора данных полевого оборудования, вычисление и выдачу регулирующих, блокировочных и других воздействий на регулирующие органы полевого оборудования.

1)ОС нижнего уровня – это ОС реального времени (ОСВР)
Операционной системой (ОС) называется комплекс программ, обеспечивающих управление основными ресурсами вычислительной системы (процессора, оперативной памяти, периферийных устройств). ОС является основной частью системного программного обеспечения.
Основные функции операционных систем:
- ведение файловой системы;
- распределение оперативной памяти;
- динамическая компоновка выполняемых программ;
- обработка прерываний;
- обеспечение многозадачной работы;
- взаимодействие с оператором;
- сетевое взаимодействие и другие функции.
Основные составные части любой ОС:
- монитор,
- загрузчик,
- супервизор,
- планировщик,
- набор системных обслуживающих программ (утилит).
К ОСРВ относятся следующие операционные системы: QNX, UNIX, RT Linux, Vx-Works, MS DOS, Windows NT, Windows CE.NET, OC-9, OS-2000, OS 5000, OS/2 и др.

2) ОС верхнего уровня АСУТП является SCADA система
Перечислим функции решаемые OpenSCADA в рамках окружения ПЛК:

· сбор данных различного спектра оборудования в синхронном, асинхронном или блочных режимах;

· пользовательские процедуры обработки данных и выдачи управляющих воздействий на Java-подобном языке высокого уровня и на формальном языке блочных схем;

· архивирование данных, начиная от временных буферов в памяти и заканчивая полноценными архивами на файловой системе или в БД различной дискретизации и глубины;

· интеграция в архитектуру АСУ ТП путём реализации стандартных протоколов взаимодействия (ModBus, SNMP ...);

· интеграция с СУБД для экспорта данных, хранения конфигурации или архивов;

· свободная конфигурация и администрирование сети ПЛК как посредством оперативного интерфейса станции администрирования, так и посредством Web-интерфейса;

· возможность реализации панелей оператора с интерфейсом контроля и управления на встроенной Touch-панели;

· предоставление Web-интерфейсов оперативного и диспетчерского контроля.

Поиск по сайту: