Организация управления данными (организация ввода-вывода в программе).

• Одной из основных целей проектирования программ управления данными является обеспечение независимости организации ввода-вывода от обрабатываемых данных (независимость от данных).

Характеристика независимости от данных определяет степень универсальности управления данными и наряду с показателями эффективности — качество системы управления данными операционной системы. Независимость I от данных делает также управление данными более * структурированным, упрощая тем самым его модификацию, развитие, понимание и сопровождение.

• Организация ввода-вывода в программе обеспечивает независимость от структуры обрабатываемых данных и типов используемых устройств.

Это важное свойство операционной системы достигается посредством следующих принципов проектирования управления данными.

1. Состав управляющей информации ввода-вывода выделен и четко обозначен. Все управляющие параметры имеют средства идентификации и собственное содержание.

2. Создан аппарат для спецификации параметров управляющей информации.

3. Вся управляющая информация ввода-вывода сосредоточена в специальных управляющих блоках — таблицах с управляющей информацией.

4. Управляющие блоки формируются не в процессе создания программы (трансляции и редактирования), а в процессе выполнения программы, что позовляет динамически изменять или назначать значения управляющих параметров.

5. Настройка программ в соответствии с управляющей информацией осуществляется динамически в процессе выполнения.

Методы доступа.Методы доступа определяют набор программ, осуществляющих операции ввода-вывода (программы метода доступа), и набор внешних спецификаций пользователя для выполнения операций обмена (макрокоманды методов доступа).

В зависимости от логического уровня различают следующие уровни методов доступа::

1) физические методы доступа; применимы к любым организациям данных;

2) базисные методы доступа; применимы практически к любым организациям наборов данных;

3) методы доступа с очередями; применимы только к организациям, допускающим последовательную обработку записей;

4) виртуальные методы доступа; используют странич-но-сегментную организацию памяти.

Названные уровни методов доступа предоставляют широкие возможности для программирования операций ввода-вывода. Так, например, уровень физических методов доступа позволяет осуществлять полное управление работой устройства, учитывать все особенности его и тем самым обеспечить максимальную эффективность выполнения своей программы. Однако на этом уровне низка степень участия операционной системы в управлении, в связи с чем программист должен создавать достаточно

сложные программы, быть специалистом высокой квалификации, знать принципы работы устройств.

Рост логического уровня выполнения операций ввода-вывода ведет к повышению уровня автоматизации этих операций операционной системы. В результате программирование упрощается. Программист может иметь самое отдаленное представление о принципах работы устройств и от него не требуется осуществлять непосредственное управление работой устройства. Это делает операционная система в соответствии с запросами программиста, выдаваемыми на логическом уровне. Программы методов доступа на этом уровне обладают достаточной гибкостью, чтобы удовлетворять разнообразным требованиям пользователей и в максимально возможной степени использовать особенности устройств.

Физический метод доступа является базовым в операционной системе. Через него реализуются все остальные методы доступа более высокого уровня.

Основным компонентом операционной системы, реализующим функции управления данными, является супервизор ввода-вывода. Он входит в состав постоянно резидентных управляющих программ операционной системы и всегда располагается в основной памяти. Супервизор ввода-вывода реализует все запросы на ввод и вывод данных, осуществляя таким образом централизованное обслуживание всех программ, выполняющихся в данное время в вычислительной системе, Ни один запрос не может быть реализован минуя этот компонент.

Супервизор ввода-вывода выполняет следующие функции:

— прием запроса на ввод или вывод данных; проверку корректности запроса;

— установку запроса в очередь к устройству; допускается упорядочение запросов по адресам данных на носителе информации, по принципу FIFO или другому принципу;

— выборку очередного запроса и запуск программы ввода-вывода для этого запроса;

— выдачу запроса на переключение процессора на очередную готовую программу с обеспечением возможности его асинхронной работы и выполнения процессов ввода-вывода;

— обработку прерываний ввода-вывода, возникающих после завершения операции или в результате ошибок, препятствующих ее выполнению;

— повторный запуск операции ввода-вывода с целью корректировки ошибок при выполнении операции путем повторения;

— выдачу сигнала о завершении операции ввода-вывода и кода завершения.

Файловые системы. Базы данных.Файловые системы и базы данных предназначены для поддержания совокупности данных, подлежащих обработке, хранению, вводу, выводу, модификации и т.д. Файл (или набор данных) представляет собой совокупность связанных данных, имеющую имя. Информация о наборах данных (имя, внутренняя структура, размеры и т. д.) должна быть доступна операционной системе.

Файловые системы и базы данных строятся на основе управления данными операционных систем. Физическим объектом управления для них являются внешние устройства, точнее, тома, внешних устройств: магнитные ленты, магнитные диски, листинги печатающих устройств и т. д. Важнейшим стимулом развития сложных систем управления данными явилось появление достаточно дешевых внешних запоминающих устройств большой емкости с малым временем доступа к информации в произвольном порядке. К ним в первую очередь относятся накопители на магнитных дисках со сменными носителями.

Файловые системы управляют наборами данных без учета природы данных, их назначения и содержания. Каждая прикладная программа (или пользователь) имеет собственный набор данных, в результате чего данные могут многократно дублироваться, информация в разных наборах может носить противоречивый характер.

• Базы данных, являясь этапом в развитии файловых систем, учитывают природу хранимой информации, обеспечивают ее единство и непротиворечивость. Базы данных ориентированы на коллективное использование информации прикладными программами (пользователями).

Централизованное управление данными позволяет обеспечить повышенную надежность хранения информации (защиту от аппаратных сбоев и отказов и программных ошибок), а также высокую эффективность обработки путем минимизации затрачиваемых времени обработки и объемов памяти. , Рассмотрим более подробно структуру и функции

файловых систем, обязательного элемента любой развитой операционной системы.

Файловые системы предназначены для выполнения следующих функций:

— обеспечения различных структур наборов данных и методов доступа к ним;

— управления наборами данных на разных уровнях;

— распределения внешней памяти;

— защиты информации в наборах данных и обеспечения коллективного доступа к ней.

Наборы данных в операционных системах имеют разнообразные структуры, две из которых являются наиболее распространенными: последовательная и прямая. Последовательная структура,являясь наиболее простой, обеспечивает высокую эффективность доступа, так как порядок обработки записей набора данных известен заранее. Прямая структураобеспечивает произвольный доступ к записям, не накладывая ограничений на порядок их обработки.

Прочие структуры наборов данных занимают промежуточное положение между последовательной и прямой, используя их отдельные достоинства. К ним относятся: библиотечная структура,состоящая из совокупности последовательно организованных разделов, снабженных справочником; индексно-последовательная структура,снабженная системой индексов для ускорения поиска последовательно организованной информации; виртуальная структура,учитывающая странично-сегментную организацию памяти, и др.

Каждая структура наборов данных имеет в составе файловой системы метод доступа к записям (возможно несколько), с помощью которого пользователь в прикладной программе осуществляет обмен данными.

Файловые системы имеют два уровня управления: 1) управление на уровне тома запоминающего устройства; 2) системное управление.

Допускается различное соответствие между набором а данных и томом. С одной стороны, том может содержать Ц один или несколько наборов данных. С другой стороны, • один набор данных может располагаться на нескольких томах (многотомный набор данных). Управление на уровне тома файловой системой должно обеспечивать информацию о наборах данных (частях наборов данных), расположенных на томе и свободных участках его. С этой целью каждый том имеет оглавление (или

справочник), адрес которого указывается в метке тома (последняя предназначена для однозначной идентификации конкретного тома). Оглавление тома состоит из меток наборов данных, предназначенных для описания наборов данных или их частей, а также^из элементов оглавления, предназначенных для описания свободных участков. Отдельной меткой может быть описано оглавление тома.

Системный уровень управления файловой системой обеспечивает построение единой информационной системы для совокупности наборов данных. С этой целью организуются системные и пользовательские каталоги, которые позволяют по имени набора данных автоматически определить тома и устройства, с которыми связан набор. При необходимости оператору выдается запрос на установку томов на выделенные устройства. Каталоги обычно имеют многоуровневую иерархическую структуру, позволяющую использовать составные имена для наборов данных.

Пользователь может использовать как уровень тома, так и системный уровень для управления наборами данных. При работе на уровне тома указывается не только имя набора данных, но и вся необходимая информация о его местоположении: имена томов, адреса устройств, структура набора данных и т. д. При работе на системном уровне достаточно указать имя набора данных; вся необходимая информация о наборе данных располагается в каталоге.

Распределение внешней памяти в файловой системе осуществляется аналогично распределению основной памяти. Основой распределения внешней памяти является учет свободных участков, информация о которых находится в оглавлениях томов. Так же как для основной памяти, для внешней памяти существует проблема фрагментации, хотя острота ее ниже в связи с большими объемами. К методам борьбы с фрагментацией памяти относятся следующие:

1) выделение памяти для набора данных в виде нескольких участков, в том числе разных размеров;

2) выделение для нескольких наборов смежных участков памяти;

3) включение алгоритмов «сборки мусора», позволяющих объединить несколько несмежных участков в один и освободить том от лишней информации.

В сложных системах, обеспечивающих высокую на-

дежность хранения информации, применяются методы периодического копирования данных в сочетании с регистрацией всех транзакций (модификаций) набора данных. Эти методы, используемые обычно в базах данных, позволяют с какой-либо контрольной точки, в которой сделана копия, восстановить текущее состояние.

Базы данных, являющиеся расширением файловых систем, постепенно вытесняют эти системы в составе операционных систем. Процесс вытеснения выражается как в разработке прикладных пакетов баз данных для работы с операционной системой, так и в непосредственной интеграции базы данных в операционную систему.

В настоящее время получили распространение три вида организации баз данных: иерархическая, сетевая и реляционная. Иерархическая организация обеспечивает легкий доступ к информации, однако не допускает сложных отношений между данными. Сетевая организация позволяет выразить отношения любой сложности, однако сложна в понимании, разработке и сопровождении. Реляционная организация основывается на табличном представлении данных. Она наглядна и проста для понимания, обладает рядом преимуществ перед предыдущими организациями. В настоящее время реляционные базы данных получают наибольшее развитие и распространение.