Операционная система ОС М-13

В. К. Гахария

Приведены краткое описание вычислительной системы М-13, функциональное назначение и структура операционной системы ОС М-13. Рассмотрены вопросы проектирования базовой части ОС М-13

Операционная система ЭВМ М-13 (ОС М-13) является центральной частью общего программного обеспечения вычислительной системы М-1З (ВС М-13). Ее назначение соответствует областям применения вычислительной системы. ВС М-13 используется в системах реального масштаба времени (РМВ), характеризующихся большими потоками информации и высокой скоростью их обработки. В дальнейшем будем именовать системы РМВ управляющими установками, а их функциональное программное обеспечение — проблемной задачей.

ВС М-13 разработана коллективом под руководством М. А. Карцева, предыдущей разработкой которого была вычислительная система М-10. Это новый этап в развитии высокопроизводительных векторных ЭВМ указанного применения. ВС М-13 представляет собой многопроцессорную систему, в которой каждый процессор ориентирован на выполнение определенных функций (см. рисунок).

Рис. рхитектура вычислительной системы М-13 
— управляющие интерфейсы;
— информационные интерфейсы

Высокопроизводительный векторный центральный процессор (ЦП) предназначен для выполнения основных вычислений по проблемной задаче и программам пользователей.

Процессор мультиплексного канала (МПК) выполняет обмен между внутренней памятью ЭВМ М-13 и внешними устройствами через устройства абонентского сопряжения (УАС). Обмен с внешними устройствами может вестись по 128 параллельным подканалам МПК. В состав УАС входят программируемые сопрягающие процессоры, которые позволяют получать как стандартные устройства, так и специализированные, входящие в состав управляющей установки.

Быстродействующий процессор обработки функций (специальная процессорная часть) выполняет специфические для управляющей установки вычисления.

Центральный управляющий процессор (ЦУП) предназначен для работы операционной системы. Он связан управляющими интерфейсами со всеми процессорами системы. По интерфейсам от ЦУП в процессоры поступают управляющие команды. Аппаратура ЦУП поддерживает мультипроцессорную работу шестнадцати программных процессов, между которыми установлен абсолютный приоритет. Каждый процесс имеет свой уровень регистров, на которых выполняется счет. Первые восемь уровней связаны с интерфейсами и активизируются при поступлении прерываний; остальные вызываются программно.

Все устройства связаны широкоформатными информационными шинами с внутренней памятью ЭВМ М-13 через устройство кодовых шин (УКШ). Внутренняя память двухуровневая: первый уровень составляют оперативная и постоянная память, второй — большая или массовая память. Краткие сведения о структуре и характеристиках ВС М-13 содержатся также в [2].

В ОС М-13 получили развитие принципы, на которых была разработана операционная система для ЭВМ М-10 [3, 4]. Основной подход заключался в том, чтобы создать такую базовую ОС, которая обеспечивала бы отладку программ проблемной задачи, комплексную сборку и штатную работу проблемной задачи. В ОС М-13 реализованы стратегии управления как режимом разделения времени (РВ), так и режимом реального масштаба времени.

ОС М-13 обеспечивает диалоговый режим РВ для 16 терминалов, режим РМВ и совмещение режимов. Режим РМВ имеет два подрежима: штатный (ШТ), обеспечивающий работу проблемной задачи с воздействием на ход вычислений только от органов управления центрального пульта, и диалоговый, необходимый для сборки и комплексной отладки проблемной задачи в условиях, близких к штатному режиму.

Пользователь представлен в системе заданием, для выполнения которого ему выделяются необходимые логические ресурсы. Задание может находиться в отложенном или активном состоянии. ОС М-13 обеспечивает одновременное хранение до 128 заданий с уникальными имёнами. При вхождении пользователя в диалог задание с соответствующим именем активизируется, восстанавливаются его ресурсы, в том числе образ математической памяти. В качестве терминала используется персональная ЭВМ, позволяющая проводить рутинные работы с файлами на гибких дисках и поддерживающая диалог с вычислительной системой. диалоговые средства ОС М-13 обеспечивают трансляцию программ пользователей, редактирование связей, хранение и загрузку объектных модулей, работу с файлами на различных носителях.

Один из терминалов может быть переведен в режим РМВ. Виртуальный диалоговый процессор РМВ предоставляет пользователю дополнительные средства для проведения комплексной отладки, анализа функционирования проблемной задачи. Работа виртуального процессора может происходить на остатках времени ЦП от проблемной задачи в целях приближения временных характеристик системы к реальным.

Для исполнения программ проблемной задачи ОС М-13 предоставляет пять параллельных процессоров, между которыми устанавливается абсолютный приоритет. Для взаимодействия ОС и проблемной задачи разработана формальная схема, включающая сигналы вызова проблемной задачи, способ обращения к функциям ОС, способ и типы сообщений, которыми они обмениваются.

В режиме совмещения РВ и РМВ работа разделения времени организуется на остатках ресурсов от задания РМВ. Пользователь, работающий за терминалом, имеющим статус РМВ, может свою работу начать как пользователь РВ для загрузки, трансляции, редактирования связей и получения объектных модулей, а затем перейти в режим РМВ для комплексной отладки. По окончании работы в РМВ пользователь может опять воспользоваться режимом РВ для сохранения задания или подготовки к следующему сеансу работы в режиме РМВ.

Многоцелевое назначение ОС М-13 нашло отражение во всех ее подсистемах, учитывающих требования указанных режимов. Подсистема управления памятью организует выделение виртуальной памяти пользователям, отображение ее на трехуровневую физическую память, где третий уровень — диски. Подсистема выполняет динамическую подкачку страниц, отсутствующих на нужном уровне памяти, формирование и корректировку рабочего множества страниц для вычислительных процессов ЦП, закрепление страниц на разных уровнях памяти по требованиям задания РМВ.

Подсистема ввода-вывода предоставляет логические средства для управления данными, организации файловой системы. Она включает диспетчеры внешних абонентов, обеспечивающих распределение и управление подканалами МПК, ведение очередей к устройствам, буферизацию информации, контроль за состоянием устройств.

Виртуальные диалоговые процессоры поддерживают взаимодействие пользователей с файловой системой, системой программирования и отладки, предоставляют заданиям пользователей виртуальные схемы прерываний для организации собственной реакции на сигналы.

В ОС М-13 предусмотрена двухуровневая схема планирования процессов. Планировщик первого уровня организует мультипроцессорную работу десяти процессов с абсолютными приоритетами. Пять из них — процессы-задания РМВ, три процесса ОС поддерживают режим РМВ, один системный процесс предназначен для работы планировщика второго уровня и один процесс — фоновый. С каждым из процессов связаны сигналы, при которых процессы активизируются.

Поскольку отладка операционной системы должна была выполняться на опытном образце ВС М-13, на начальном этапе разработки ОС были созданы инструментальные средства, позволяющие вести отладку программ ОС низкого уровня, анализировать состояния ОС, подключать новые модули, производить разбор сбойных ситуаций. В состав инструментальных средств входят микропрограммные средства, обеспечивающие работу с регистрами и памятью устройства ЦУП, и программные, посредством которых можно управлять процессорами ВС М-13, изменять состояние их регистров, производить обмен информацией с внутренней памятью вычислительной системы.

При разработке операционной системы особое внимание было обращено на определение состава функций и архитектуру ее базовой части, функционирующей на ЦУП. Важно, что с самого начала разработки всех подсистем учитывалась “тройная” стратегия управления: были проанализированы потребности пользователей РВ и РМВ с тем, чтобы функции, отвечающие одинаковым потребностям разных типов пользователей, реализовывались одними и теми же алгоритмами были унифицированы способы вызовов функций ОС как в режиме РВ, так и в режиме РМВ; после этого была определена базовая часть ОС (ОСБ) как пересечение трех множеств:

ОСБ = ОСШТ ∩ ОСРМВ ∩ ОСРВ.

Далее было проведено разбиение базовой части на модули. Следовало учесть, что в устройство ЦУП, исходя из его положения в архитектуре ВС М-13, поступает большое количество разнотипных прерываний. Чтобы сбалансировать поток прерываний с их обработкой, была разработана схема послойного разбиения на модули m :

ОСБ = U 8 _j =1 ОС _mj

При этом время работы модулей mj на каждом слое должно быть tmj -1< tmj

На интерфейсных уровнях ЦУП работают небольшие резидентные программы, называемые классификаторами запросов. Они осуществляют первичную обработку прерываний, поступающих от процессоров ВС М-13, и передают их для дальнейшей обработки на программные уровни — слои. Номер слоя, на котором проводится вторичная обработка запроса, зависит от ее длительности: чем больше время обработки, тем больше номер слоя (программного уровня), на котором она происходит. В результате обработки запросов ва программных уровнях они теряют специфику, связанную с конкретным физическим ресурсом, и выступают уже как виртуальные ресурсы, с которыми работают модули логических уровней ОС (виртуальные процессоры). Известны несколько операционных систем, в архитектуре которых применен принцип послойного построения [5, 6].

Поскольку местоположение модулей может уточняться в процессе отладки ОС и при ее сопровождении в условиях конкретной установки, большие усилия были потрачены на разработку формального механизма привязки модулей к уровням, их активизации, передачи параметров, диспетчеризации на программном уровне. Затем этот механизм был реализован микропрограммно, в результате чего затраты времени на его исполнение были сведены к минимуму.

Литература

1. Карцев М. А. Вычислительная машина М-10 // Докл. АН СССР. — 1979.- Т. 245, № 2. — С. 309-312.
2. Гринкруг Е. М. Программирование полномочий в вычислительной системе М-13. Препринт № 28. М., ИТМиВТ АН СССР. — 1990. — 63 с. 

Статьи об ЭВМ М-13 
Сборник “Вопросы радиоэлектроники”, серия “Электронная вычислительная техника”, выпуск 16, 1991 г.
Перепечатывается с разрешения авторов.
Статья помещена в музей 27.08.2007 г.