Многомашинные вычислительные комплексы

Многомашинные вычислительные комплексы (ММВК) - это программно аппаратное объединение группы вычислительных машин, в которых:

1. На каждой из машин работает своя операционная система (этот признак отличает ММВК от многопроцессорного вычислительного комплекса).

2. В ММВК имеются общие физические ресурсы, например ОЗУ, ВЗУ или общие каналы связи (а, следовательно, имеются проблемы синхронизации доступа).

ММВК использовались в качестве систем сбора и обработки больших наборов данных, и для организации глобальных терминальных комплексов. ММВК появились в начале 60-х и сейчас продолжают успешно существовать. Одно из основных применений ММВК - это дублирование вычислительной мощи, примером таких систем может служить любая система управления важными технологическими процессами.

В ММВК общий ресурс является общим не только для всех ВС, но и для групп ВС, благодаря этому мы можем организовывать ММВК сложной структуры, необходимой для решения конкретной проблемы (Например, ММВК для продажи авиабилетов и ММВК для параллельного проведения какого-нибудь сложного научного расчета). Мы также обсудили тот факт, что в ММВК на каждой из машин работает своя операционная система. Отсюда вытекает, что все проблемы взаимодействия должны решаться на уровне взаимодействия ОС. Система, аналогичная ММВК, но в которой работает одна ОС, - многопроцессорная ВС. Существуют задачи, для которых не хватает средств, предоставляемых терминальными комплексами. Это, например, проблема организации больших баз данных. В этом случае используют ММВК.

В ММВК имеется проблема синхронизации доступа к разделяемым ресурсом. Разделяемыми ресурсами могут быть устройства внешней памяти, ОЗУ, каналы связи, соединенные двумя или более компонентами вычислительного комплекса. Рассмотрим такой пример. У нас есть ММВК, состоящий из двух ВС. Разделяемый ресурс - жесткий диск. Проблема в данном случае явно формулируется так: «Нужно научить две ВС синхронизированно обмениваться с HDD.» Т. е. если программа одной ВС что-то пишет на HDD, то область данных, в которую она пишет или весь HDD должны быть заблокированы для другой ВС (Проблема напоминает проблему семафоров). Одно из решений - коммутатор HDD, некий контроллер, который имеет команду, блокирующую HDD. При начале обмена одной вычислительной системы доступ к HDD заблокирован для других ВС. А эта ВС в монопольном режиме использует HDD. Если другая ВС попытается начать обмен с HDD возможны два решения:

1) синхронное ожидание;

2) асинхронное ожидание (система не будет простаивать, она временно остановит процесс, подавший заказ на обмен и активизирует другой процесс).

На самом деле коммутаторы, конечно, более интеллектуальны. Они, например, устанавливают блокировку не на весь HDD, а только на некоторые его блоки.

Приведенное выше решение привлекает своей технической простотой как с аппаратной точки зрения, так и с точки зрения программной реализации (нет сложных взаимосвязей), но оно имеет существенный недостаток. ВС может заблокировать HDD и после этого зациклиться. Для борьбы с такими ситуациями можно использовать различные устройства, отличные от коммутатора HDD, позволяющие послать сигнал от одной ВС к другой. Это может быть, например, низкоскоростной канал связи (скорость передачи нам здесь не нужна).

БИЛЕТ 18

Базовые понятия, определения, структура

Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающий контроль за существованием (некоторые из ресурсов ВС, как мы знаем, являются программными или логическими/виртуальными и создаются под контролем операционной системой), распределением и использованием ресурсов ВС.

Любая ОС оперирует некоторым набором базовых сущностей (понятий) на основе которых строится логика функционирования системы. Например, подобными базовыми понятиями могут быть задача, задание, процесс, набор данных, файл, объект.

Одним из наиболее распространенных базовых понятий ОС является процесс.

Интуитивно определение процесса достаточно просто, но определить процесс строго, формально, достаточно сложно. Поэтому существует целый ряд определений процесса, многие из которых системно-ориентированы.

Процесс – это совокупность машинных команд и данных, исполняющаяся в рамках ВС и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов. Эти права могут быть эксклюзивными, когда ресурс принадлежит только этому процессу. Некоторые из ресурсов могут разделяться, т. е. одновременно принадлежать двум и более процессам, в этом случае мы говорим о разделяемых ресурсах.

Возможно два варианта выделения ресурсов процессу:

• предварительная декларация использования тех или иных ресурсов (до начала выполнения процесса в систему передается перечень ресурсов, которые будут использованы процессом);
• Динамическое пополнение списка принадлежащих процессу ресурсов по ходу выполнения процесса при непосредственном обращении к ресурсу.

Реальная схема зависит от конкретной ОС. На практике возможно использование комбинации этих вариантов. Для простоты изложения будем считать, что модельная ОС имеет возможность предварительной декларации ресурсов, которые будут использованы процессом.

Любая ОС должна удовлетворять следующим свойствам:

• надежность
• защита
• эффективность
• предсказуемость

Типовая структура ОС.

Ядро – резидентная часть ОС, работающая в режиме супервизора. В ядре размещаются программы обработки прерываний и драйверы наиболее «ответственных» устройств. Это могут быть и физические, и виртуальные устройства. Например, в ядре могут располагаться драйверы файловой системы, ОЗУ. Обычно ядро работает в режиме физической адресации.

Следующие уровни структуры – динамически подгружаемые драйверы физических и виртуальных устройств. Это драйверы, добавление которых в систему возможно «на ходу» без перекомпоновки программ ОС. Они могут являться резидентными и нерезидентными, а также могут работать как в режиме супервизора, так и в пользовательском режиме.

Можно выделить следующие основные логические функции ОС:

• управление процессами;
• управление ОП;
• планирование;
• управление устройствами и ФС.

Билет 19 Типы операционных систем

Пакетная ОС

Пакет программ – совокупность программ, для выполнения каждого из которых требуется некоторое время работы процессора. Этот тип был на первых компьютерах. Пакет программ – стопка перфокарт.

Стратегия переключения с одного процесса на другой, если

а)выполняемый процесс завершен

б)возникло прерывание по обмену в выполняемом программе

в)зафиксировался факт зацикливания.

Системы разделения времени

Квант времени ЦП – некоторый фиксированный ОС промежуток времени работы ЦП

ЦП предоставляется процессу на один квант времени. Меняя размер кванта можно получить различные характеристики ОС. Большой квант времени удобен для отладки.

Если квант времени устремить к нулю, то у пользователя создается впечатление, что он работает один на этой ОС. Это происходит потому, что критерий эффективности с точки зрения человека – через сколько компьютер реагирует на действия человека.

Переключение выполнения процессов происходит только в одном из случаев:

- Исчерпался выделенный квант времени

- Выполнение процесса завершено

- Возникло прерывание

- Был фиксирован факт зацикливания процесса

Системы реального времени

являются специализированными системами в которых все функции планирования ориентированы на обработку некоторых событий за время, не превосходящее некоторого предельного значение

Критерий качества – обработка любого события за некоторый гарантированный промежуток времени (бортовой компьютер, автопилот…)

Реально (за исключением систем реального времени, которые могут быть разные по областям применения, важности серьезности и т.д.) используются комбинации пакетных и систем разделения времени друг в друге и с различными стратегиями

Сетевые, распределенные ОС

Сетевая ОС –

Мы имеем физическую сеть в которой подключенные компьютеры взаимодействуют с помощью протоколов, сетевая ОС предоставляет пользователям распределенные прикладные приложения.

Распределенная ОС –

Состоит из ядра, локализованного в рамках одного компьютера, и остальных функций распределенных по компьютерам сети.

Проблема распределения файловой системы