Операционные системы специализированных вычислительных комплексов: теория построения и системного проектирования

С. В. Назаров 
ОПЕВЩИОННЫЕ 
СИСТЕМЫ 
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
КОМПЛЕКСОВ: 
теория 
построения 
и системного 
п роектирования 

Е 

МОСКВА 

«МАШИНОСТРОЕНИЕ» 

1989 

ББК 32.973.2-01 
Н19 

УДК 681.3.066:658.512.011.56 

Рецензент д-р техн. наук проф. А. А. 
С и м о н я н 

Назаров С. В. 

Н19 
Операционные 
системы специализированных 
вычислительных комплексов: Теория построения и системного проектирования. — М.: Машиностроение, 1989. — 400 е.: ил. 
ISBN 5-217-00462-2 

Рассмотрены теоретические основы структурной и функциональной 
организации операционных систем (ОС). Дана методология их системного 
проектирования. Предложены методы и алгоритмы синтеза оптимальных 
ОС, позволяющие формализовать и автоматизировать процессы обоснования требований, разработки технических заданий, разработки архитектуры 
и сопровождения ОС специализированных 
информационно-вычислительных комплексов и сократить сроки их создания и ввода в эксплуатацию. 

Д л я инженерно-технических работников НИИ, проектных институтов, 
проектно-конструкторских бюро и НПО, занимающихся вопросами теории 
построения и проектирования ОС, оценки эффективности их функционирования и их оптимизации. 

„ 2404040000—041 ., 
„„ 
„ „ „ „„ „„„ „ „ 

" 
038 (01)—89 
4 1 ~ 8 9 
Б Б К 32.973.2-01 

ISBN 5-217-00462-2 
© 
Издательство «Машиностроение», 1989 

СПИСОК 
СОКРАЩЕНИЙ 

ААУСО — алгоритм адаптивного управления 
страничным 
обменом 
АЗС — алгоритм замены страниц 
АП — адресное пространство 
АРС — автоматизированная рабочая станция 
АСУ — автоматизированная система управления 
АУСО — алгоритм управления страничным обменом 
Б Д — банк данных 
БСП — библиотека стандартных подпрограмм 
ВВК — вероятностный выборочный контроль 
ВГ — верхняя граница 
ВП — виртуальный процессор 
ВС — вычислительная система 
Д Н К — динамическое назначение приоритета 
ЗВВ — задача вариантного выбора 
З Н Ф З — заданный набор функциональных задач 
ИВ К — информационно-вычислительный комплекс 

ИС — интерпретирующая система 
KB В — канал ввода-вывода 
ЛСД — логическая структура данных 
ЛСП — логическая структура программы 
МО — математическое обеспечение 
НГ — нижняя граница 
НМБ — накопитель на магнитном барабане 
НМД — накопитель на магнитном диске 
НМЛ — накопитель на магнитной ленте 
ОП — основная память 
ОС — операционная система 
ОСС — операционная система сети 
ПО — программное обеспечение 
ППП — пакет прикладных программ 

ПС — программная система 
ПФС — полная физическая структура 

ПЭ — показатель эффективности 
РОСС — распределенная операционная система сети 
САП — система автоматизации программирования 
СВУ — специализированное вычислительное 
устройство 
СМО — система массового обслуживания 
СМП — системная мониторная программа 
СУБД — система управления базой данных 
ТЗ — техническое задание 
ТК — технологический комплекс 
ТТТ — тактико-технические требования 
ТФС — текущая физическая структура 
У П Д — устройство прямого доступа 
УСО — управление страничным обменом 
УСТ — универсальное средство трассировки 
ФЗ — функциональная задача 
ФС — физическая- структура 
ЦП — центральный процессор 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В социалистическом обществе на первый план выдвигаются 
задачи ускорения научно-технического прогресса и эффективного применения его результатов в планировании и управлении 
народным хозяйством. Решение этих задач во многом зависит от 
массового внедрения автоматизированных и автоматических систем управления, техническое обеспечение которых предполагает 
широкое использование средств вычислительной техники. В «Основных направлениях экономического и социального развития 
СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» предусматривается «...Внедрять автоматизированные системы в различные 
сферы хозяйственной деятельности, и в первую очередь в проектирование, управление оборудованием и технологическими процессами... Высокими темпами наращивать масштабы применения 
современных высокопроизводительных 
электронно-вычислительных машин всех классов. Продолжить создание и повысить эффективность работы вычислительных центров коллективного пользования, интегрированных банков данных, сетей обработки и 
передачи информации». 

Принята общегосударственная программа создания, развития 
производства и эффективного использования вычислительной техники и автоматизированных систем до 2000 года. Важное место 
в этой программе занимают вопросы разработки программного 
обеспечения вычислительной техники и операционных 
систем 
в частности. 

Современные автоматизированные и автоматические системы 
управления должны иметь в качестве технической основы специализированные информационно-вычислительные комплексы (ИВК), 
ориентированные на сбор, передачу информации от управляемых 
объектов и подразделений, а также обработку функциональных 
(управленческих) задач на основе развитых экономико-математических методов. Работа существующих АСУ и автоматических 
систем нуждается в серьезном улучшении. Во многом это связано 
с ориентацией технического обеспечения АСУ на серийно выпускаемые отечественной промышленностью универсальные ЭВМ 
и поставляемое с ними общее программное обеспечение. В то же 
время использование в ИВ К АСУ широко 
распространенных 

4 

«штатных» операционных систем, 
как правило, 
неэффективно. 
Дело в том, что учет специфики АСУ в этом случае сводится 
в основном к «настройке» ОС в процессе ее генерации с учетом 
конфигурации технических средств ИВ К и классов задач, решаемых в АСУ. 

Разработка специальных ОС для ИВ К АСУ сопряжена с большими материальными и временными затратами, что объясняется 
высокой их сложностью как специфического программного продукта, рядом объективных и субъективных факторов, присущих 
процессу разработки программных систем. Огромные затраты труда 
на составление сложных программ не всегда и не везде осознаются 
в должной мере. Во многом это связано с традиционными представлениями первостепенного значения вещественных (аппаратных) компонент по сравнению с информационными, материализованными в виде строк программ. 

Другой причиной трудности разработки высокоэффективных 
ОС специализированных ИВ К является дефицит высококвалифицированных специалистов по системным разработкам в области 
вычислительной техники и системному программированию. Экономические потери, которые несут из-за этого многие вычислительные центры, сети автоматизированных систем управления, предприятия и отрасли, сравнимы со стоимостью технических средств. 
Специалист-системщик должен быть центральным действующим 
лицом в ВЦ, ИВ К, АСУ. Еще более важно его значение в процессах разработки системного программного обеспечения и, в частности, ОС. 

Подготовку программистов-системщиков высокой квалификации существенно затрудняет ограниченное число специалистов по 
проблемным вопросам построения и системного проектирования 
операционных систем, пакетов прикладных программ и других 
больших программных систем. Перестройка процесса обучения 
по этим специальностям идет недостаточно интенсивно 
из-за 
нехватки соответствующих педагогических и научных кадров. 
По этой же причине в литературе недостаточно освещены вопросы 
теории построения и методологии системного проектирования ОС 
и других составляющих общего, а также специального ПО специализированных ИВ К АСУ. 

Книга состоит из семи глав. Глава 1 имеет вводный характер 
и посвящена анализу теории и практики разработки ОС (считается, что с объектом исследования, т. е. самими конкретными 
операционными системами, читатель достаточно глубоко знаком). 
Основное внимание в гл. 1 уделяется анализу сущности системного проектирования, состоянию теории и методологии проектирования ОС, анализу причин высокой стоимости разработки и недостаточной надежности ОС. 

В гл. 2 дается постановка проблемы системного проектирования операционных систем. В ней рассматриваются вопросы формализации требований, 
предъявляемых 
к ОС, ее 
архитектуры, 

5 

внутренней организации, целевого назначения и др. Значительное внимание уделено методологическим положениям формализации, постановки и доопределения (в случае необходимости) 
задач системного проектирования ОС, формализованным схемам 
разработки ТЗ и архитектуры ОС. 

Решение проблемы системного проектирования ОС по разработанным формализованным схемам связано с адекватной реальным ОС формализацией задач системного проектирования и разработкой методологии системного проектирования в части принципов, методов и алгоритмов их решения. Поэтому в гл. 3 и 4 
монографии излагаются основы структурной и функциональной 
организации ОС, определяющие существенные принципы, закономерности и связи структурной организации ОС как основы 
виртуальных систем, представляющих реальные ИВ К, и функциональной организации ОС как системы управления высшего уровня 
ИВК. 

На базе теоретических основ построения ОС в гл. 5 монографии 
предлагается методология системного проектирования ОС, опирающаяся на концепцию многоуровневых виртуальных систем, 
интегральный принцип разработки аппаратных и программных 
средств ИВК, метод проектирования сверху вниз в его сочетании 
с методами проектирования снизу вверх и пошаговым уточнением, 
максимальную 
параллельность 
выполнения 
проектных 
работ, 
совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых задач оптимизации ОС, решаемых в последовательности 
формализованных 
схем разработки ТЗ и архитектуры ОС, математические модели, 
методы и алгоритмы решения задач системного проектирования 
с использованием 
инструментальных 
средств 
технологических 
комплексов. 

В гл. 6 монографии рассматриваются основные задачи системного проектирования ОС, решаемые в интересах разработки ТЗ 
на проектирование ОС и разработки архитектуры ОС. Проводится 
формализация и разрабатываются математические модели этих 
задач, представляемые, как правило, задачами линейного и нелинейного программирования с булевыми переменными и специальными задачами на графах. В целях освобождения книги от 
излишних деталей в необходимых случаях для иллюстрации решений конкретных задач и полученных результатов 
приводятся 
ссылки на опубликованные автором работы. 

В заключительной гл. 7 монографии рассматриваются методы 
и алгоритмы решения задач системного проектирования (в том 
числе оригинальные), 
позволяющие создать эффективные инструментальные средства 
(пакеты прикладных программ) для 
автоматизированного 
решения 
задач системного 
проектирования ОС. 

Предлагаемая читателям монография не претендует на фундаментальную основу по методологии системного проектирования 
программных систем. Однако автор надеется, что она будет по
6 

лезна достаточно широкому кругу специалистов, занимающихся 
разработкой, созданием и сопровождением операционных систем 
специализированных 
ИВ К автоматизированных 
систем управления. 

Значительная часть инструментальных средств, разработанных под руководством автора А. Г. Барсуковым, М. Е. Прохоровым, А. И. Ильюшиным, В. И. Сущевым, А. И. Квасовым и др. 
(за что автор выражает им глубокую благодарность), отражена 
в изданиях [91, 94, 95—98, 100, 102 и др. ], а поэтому в монографии не рассматривается. В необходимых случаях даются ссылки 
на соответствующую литературу. 

Автор благодарен за 
помощь, оказанную при 
подготовке 
п. 6.8.3 и 6.8.4 О. В. Чикало, п. 6.11 — Г . М. Годердзишвили и 
В. В. Ковалеву. 

Автор с благодарностью примет замечания и пожелания и 
надеется, что монография будет способствовать повышению интереса к системному проектированию операционных систем и информационно-вычислительных 
комплексов. 

ВВЕДЕНИЕ 

Одной из основных тенденций современного этапа создания 
и развития автоматизированных систем управления 
народным 
хозяйством страны, автоматизированных и автоматических систем управления производственно-технологическими 
процессами 
и техническими объектами является увеличение их сложности, 
обусловленное широким использованием экономико-математических методов для решения задач оптимального управления. Основу таких автоматизированных и автоматических систем составляют средства электронной вычислительной техники, объединяемые в развитые специализированные информационно-вычислительные комплексы. 

Специализированные ИВ К предназначены для решения определенного круга задач и, как правило, предполагают достаточно 
стабильный состав пользователей (управляемых объектов). Важнейшая особенность таких ИВ К — проблемная направленность. 
Последняя достигается различными способами и характеризуется 
следующими признаками. 

1. Использованием строго ограниченного перечня программ 
(функциональных задач) определенной проблемной ориентации 
в условиях архитектурной организации ИВК 
универсального 
типа. Этот перечень задач может изменяться, пополняться и т. п. 
при развитии и модификации системы, однако всегда в процессе 
функционирования ИВК технологический цикл «включения» программ функциональных задач (ФЗ) строго определен, а программы 
ФЗ хранятся в памяти ИВК
2. Проблемной ориентацией организации вычислительного процесса, например, выбором определенной ОС или генерацией определенного варианта ОС, которые в максимальной степени соответствуют специфике решаемых задач и целевому назначению системы в условиях использования ИВК на базе ЭВМ универсальной архитектуры. 

3. Специализацией архитектурных принципов построения ИВК 
путем функциональной и программной специализации отдельных 
ЭВМ (модулей) ИВК, использованием проблемно-ориентированного входного и внутреннего языков, выбором определенного 
соотношения между компиляцией и интерпретацией, структуры 

8 

памяти и данных и т. п. вплоть до отказа от традиционной фоннеймановской архитектуры [26, 82, 83]. 

4. Введением в ИВ К модулей специального назначения — 
преобразователей код—аналог и обратно, устройств сопряжения 
со специальными внешними объектами, специальных устройств 
отображения (табло, светопланов и т. п.), документирования информации и др. 

5. Полным отсутствием традиционных 
устройств 
ввода-вывода информации и заменой их специализированными устройствами 
сопряжения с внешними объектами, отсутствием средств автоматизации программирования, разработки и отладки специального 
программного обеспечения. 

В монографии рассматриваются вопросы построения и системного проектирования операционных систем трех основных видов 
специализированных ИВ К: 1) АСУ организационного типа, имеющих специализацию по 1-, 2-му и частично по 3-, 4-му признакам; 
2) интегрированного типа, предназначенных для использования 
в АСУ техническими объектами (например, АЭС) и имеющих специализацию по 1-, 2-, 4-му и частично 3-му признакам; 3) автоматических систем управления (в том числе реального времени), 
предназначенных для управления технологическими процессами 
и техническими объектами и имеющих специализацию по 2—5-му 
признакам и 1-му признаку в части проблемной ориентации ФЗ. 

В первых двух случаях использование ИВК связано со сбором, 
накоплением (т. е. ведением баз данных) и обработкой информации 
в интересах управления с участием человека-оператора. В третьем 
случае использование ИВК связано (а иногда только к этому и 
сводится) с выполнением определенных функций в контуре управления некоторым объектом, как правило, без участия человека. 
В 
ряде 
случаев 
такие 
ИВК 
вырождаются 
в 
управляющие 
вычислительные 
комплексы, 
т. 
е. 
теряют 
информационный 
характер. 

Учитывая факт быстрого морального старения средств вычислительной техники (поколения сменяются через 5—7 лет и эти темпы 
ускоряются) и объективную необходимость использования все 
более эффективных и современных в технико-экономическом отношении ИВК, становится актуальной задача сокращения сроков 
их создания и ввода в эксплуатацию. Однако создание высокоэффективных ИВК в сжатые сроки связано с рядом сложных проблем, решение которых до настоящего времени разработано лишь 
частично. 

Решение этих проблем усложняется чрезвычайно большой 
размерностью и сложностью структуры не только ИВК, но и их 
подсистем, сложностью восприятия разработчиком всей системы 
в целом, приводящей к необходимости декомпозиции ее на множество обозримых систем, что, в свою очередь, приводит зачастую 
к нарушению системного подхода при проектировании, сложности 
интеграции разработанных подсистем и т. п. 

9 

( PA 

1960 1965 
1970 
1975 
19S0 
1985 

Р и с . B . l . Изменение соотношения стоимости аппаратуры и программного обеспечения В С и распределение 
затрат 
между его компонентами: 
/ — стоимость ПО от общей стоимости ВС; 
2 — стоимость ОС от общей стоимости ПО; 
3 — стоимость САП от общей 
стоимости 
ПО; 4 — стоимость специального ПО от общей стоимости ПО 

S) 

Рис. 
В.2. Варианты 
г р а ф и к о в 
разработки специализированных 
И В К 
при 
традиционной методологии 
проектирования: 
а — параллельная разработка ОС и специального ПО; б — последовательная разработка ОС и специального ПО; РА — разработка 
аппаратуры 
(новых 
или 
выбор 
вычислительных средств); РСА — разработка структуры аппаратных средств ИВ К; 
РОС, РСПО 
— разработка 
соответственно ОС и специального ПО; КО — комплексная отладка 

Одна из основных проблем связана с построением программного 
обеспечения и, главным образом, операционных систем ИВК 
(имеется в виду, что ИВК создаются не только, и даже не столько 
на базе имеющихся ЭВМ, например, ЕС ЭВМ, для которых существует множество изданий и версий ОС и которые зачастую оказываются неэффективными для использования в АСУ, но и на 
базе вновь разрабатываемых ЭВМ). На эту проблему, в частности, 
указывалось в статье «Актуальные проблемы вычислительной 
техники» (журнал «Коммунист», № 5, 1985 г.). 

Известно, что развитие вычислительной техники характеризуется возрастающей долей затрат на программное обеспечение 
(ПО) (рис В.1). К концу 80-х гг. 80—90 % всех затрат на создание 
ИВК будет приходиться именно на ПО [81, 111]. Основу общего 
ПО составляют операционные системы: на их долю приходится 
до 50 % затрат от общей стоимости ПО, и именно ОС в основном 
определяют эффективность использования ИВК. 

Операционные системы — специфическое ПО, они существенно 
отличаются от других частей программного обеспечения. Прежде 
всего это заключается в высокой степени параметризации, широком спектре пользователей и длительном сроке их использования. 
Сложной проблемой создания ОС являются динамизм и высокая 
степень параллельности процессов, протекающих в ОС, что затрудняет их разработку. С другой стороны, параллелизм работы 
модулей ОС по отношению к общим информационным и управляемым объектам приводит к серьезным задачам по согласованию 
использования этих объектов различными программными компо
10