О принципах классификации математического обеспечения систем управления
Обслуживание в порядке абсолютных приоритетов. Все заявки в автоматизированной системе разбиты на классы, каждому их которых присвоен абсолютный приоритет по использованию ресурса. Например, в алгоритме Корбато класс равносилен очереди, а ее номер является абсолютным приоритетом заявок данного класса по отношению к другим. Из имеющихся в системе заявок первыми обслуживаются заявки, относящиеся к классу с наивысшим абсолютным приоритетом. При поступлении в систему новой заявки она будет немедленно передана на обслуживание, если принадлежит к классу с приоритетом высшим, нежели заявка, обслуживаемая в текущий момент. В противном случае, вновь пришедшая заявка становится в очередь своего класса и продолжается выполнение текущей заявке.
Обслуживание в порядке относительных приоритетов. В отличие от абсолютных приоритетов в этом случае новая заявка, входящая в систему, не может прервать исполнение текущей заявки, даже если последняя и менее приоритетная.
Обслуживание в порядке динамических приоритетов. Приоритет заявки зависит от времени пребывания ее в системе. Приоритет заявки может либо повышаться, либо, наоборот, понижаться.
Распределение памяти. Для современных вычислительных систем характерна иерархическая организация систем хранения информации, минимум по двум уровням: непосредственно адресуемая главная память (ОЗУ) и вспомогательная память, имеющая определенную связь с процессором через программно-аппаратное обеспечение. Такая организация памяти требует определенных средств для управления. Программно реализуемые системы управления памятью, базирующиеся на специальных аппаратных средствах, составляют одну из основных частей ОС систем управления технологическими процессами. Функциональным назначением таких частей (подсистем) является планирование использования физических устройств памяти при организации вычислительного процесса в том или ином режиме обработки. При этом обыкновенно решается задача достижения высокой эффективности использования одного из основных ресурсов в системе-главной памяти.
Алгоритмы распределения памяти, реализующие решение задачи размещения на уровне памяти, принято делить на статические и динамические. Принадлежность алгоритма к тому или иному типу определяется моментом «связывания», т.е. временем установления соответствия между адресами физическими (адреса физических ячеек памяти) и математическими (адреса операндов и слов программы). Если «связывание» происходит до момента исполнения программы, то алгоритм, производящий такое действие, называют статическим. В динамических алгоритмах «связывание» производится в процессе исполнения программы.
Метод «единственный пользователь». Вся наличная память в системе предоставляется в распоряжение одного пользователя. Единственная хранимая в главной памяти программа представлена в машинном коде и обязана сама производить связи со вспомогательной памятью. Метод максимально прост и дешев. Может быть использован в программируемых логических контроллерах (ПЛК), работающих в контурах прямого цифрового управления.
Метод «единственный пользователь» + система. Главная память разделена на две области-системную и пользовательскую. В системной области находится резидентная часть ОС систем управления технологическими процессами, в состав которой обычно входят модули управления вводом-выводом, ведущая программа по организации смены исполняемых программ и т.д.
Метод фиксированной фрагментации является развитием предыдущего метода, но ориентирован на мультипрограммную обработку задач. Главная память, как и ранее, имеет две области с тем же функциональным значением. Но пользовательская область разделена на фиксированное число фрагментов памяти, которые принято называть разделами. Число и размеры разделов обычно устанавливаются при генерации ОС систем управления технологическими процессами.
Метод переменной фрагментации аналогичен предыдущему методу, но увеличив гибкость и эффективность использования главной памяти. ОС может в данном случае регулировать размеры разделов-«подгонять» их под размеры пользовательских задач. Кроме того, регулируется число разделов. Все разделы располагаются в памяти с ее начала непрерывно, т.е. пользовательская область в каждый текущий момент времени будет либо полностью занята задачами, либо состоять из двух непрерывных частей: используемой и неиспользуемой. При каждом окончании задач оставшиеся разделы передвигаются, чтобы образовать непрерывную неиспользуемую область памяти. Как и в методе фиксированной фрагментации, в методе перемещаемости, аппаратурные или программные.
Метод минимизации перекрытий предназначен для увеличения уровня программирования (числа задач в мультипрограммной последовательности) при одновременном эффективном использовании главной памяти.
Копии задач находятся во вспомогательной памяти, откуда и вызывается на исполнение в некоторую область главной памяти. Методом допускается физическое наложение области памяти одной задачи на область памяти другой при одновременном их расположении в главной памяти. При возникновении необходимости инициирования такой задачи ее сохраняемая часть должна быть переписана в главную память из вспомогательной. При минимизации количества и объемов таких перекрытий уменьшится и число (соответственно и время) обращений ко внешней памяти. Данный метод обеспечивает такое распределение главной памяти среди наличных задач мультипрограммной последовательности, при котором можно минимизировать подобные перекрытия.
Метод покадровой пересылки (свопинг). Доступная пользовательская память разделена логически на некоторое число кадров. В специальной таблице (таблице собственности) в каждом элементе устанавливается номер задачи, которая хранится в текущий момент времени в данном кадре. С помощью специального механизма (чаще всего аппаратного) производится сравнение содержимого регистра текущей программы с содержимым соответствующего элемента таблицы. При несовпадении, свидетельствующем об отсутствии необходимого кадра в главной памяти, происходит обращение к соответствующей части операционной системы для вызова требуемого кадра из вспомогательной памяти. По мере вызова кадра переустанавливается последующий элемент таблицы, соответствующий в одном из следующих состояний:
- не был использован (новый кадр переписывается туда без дополнительных действий);
- занят исполнявшейся программой с другим номером (старое содержимое переписывается в соответствующее место вспомогательной памяти, затем записывается новый кадр);
- занят е исполнявшейся программой (содержимое на сохраняется, переписывается новый кадр).
Сегментация-прием организации программ, при котором адресная структура программы отражает ее содержательное членение. При сегментации пространство адресов каждой программы подразделяется на сегменты (отрезки различной длины), содержательно соответствующие различным частям программы. Например, сегментом могут быть процедура или область данных. Слово из программы определяется адресом, состоящим из двух частей: имени сегмента и адреса этого слова внутри сегмента, называемого смещением. Если программа пытается обратиться к сегменту, которого нет в ОЗУ, то он вводиться из вспомогательной памяти.
Страничная организация памяти-такой способ управления памятью, при котором пространство адресов памяти разбивается на блоки фиксированной длины. Все пространство ОЗУ программируемых логических контроллеров (ПЛК) физически делится на отрезки равной длины, называемые физическими страницами. Программы и данные, в свою очередь, делятся на называемыми страницами содержательные части того же размера, что и физические страницы ОЗУ. При этом одну страницу информации можно загрузить в одну физическую страницу.
Сочетание сегментации со страничной организацией. При этом подходе память разбивается на страницы для каждого сегмента по его собственной таблице страниц. Адреса при этом состоят из трех компонент. Первая компонента-номер сегмента, вторая определяет номер страницы в системе и третья-смещение внутри страницы.
Переключение функций. Следствием конкуренции для промышленных операционных систем реального времени является переключение функций, посредством которого ресурсы центрального процессора и другие вычислительные ресурсы распределяются между претендующими на них задачами (процессами). Переключение функций можно условно разделить на запрограммированное и незапрограммированное. В первом случае переключение происходит либо по требованию выполняемой задачи, либо в момент ее окончания, когда промышленные операционные системы реального времени просматривают очередь для выполнения следующей задачи. Прерывания, генерируемые внутри самих программируемых логических контроллерах (ПЛК) или в управляемом процессе, порождают незапрограммированные переключения.
Рассматривая структуру многоуровневого приоритетного прерывания и связанное с ним обслуживание, можно выделить следующие 9 шагов:
- Завершения выполнения текущей памяти;
- Заперт или маскирование прерывания на всех уровнях автоматизированных систем;
- Запоминание адреса, на котором прервана выполняемая программа;
- Регистрация состояния ЦП запоминанием содержимого некоторых или всех используемых регистров;
- Установление в новое состояние индикатора прерывания и снятия маски прерываний верхних уровней;
- Точное определение источника прерывания;
- Определение действия, которое необходимо предпринять, и передача управления соответствующей служебной программе;
- Выполнение служебной программы автоматизированных систем;
- Инициирование возврата к прерывной программе.
Первые три шага реализуются обычно аппаратно. Шаг 8 - программная функция. Реализация остальных шагов возлагается либо на аппаратную часть, либо осуществляется программно в случае отсутствия необходимых аппаратных средств.
