Раздел 1. Основы теории операционных систем
Тема 1.1. Общие сведения об операционных системах
ОС компьютера представляют собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера с другой стороны. В соответствии с этим ОС выполняют две группы функций.
расширение возможностей машины;
управление ее ресурсами.
ОС как расширенная (виртуальная) машина
Архитектура (система команд, организация памяти, ввод- вывод данных и структура шин) большинства компьютеров на уровне машинного языка примитивна и неудобна для работы с программами, особенно в процессе ввода- вывода данных.
Рассмотрим пример, как происходит ввод- вывод данных с гибкого диска через совместимые микросхемы контроллера NEC PD765, используемых в большинстве компьютеров с процессором Intel.
Контроллер PD765 имеет 16 команд и каждая задается передачей от 1 до 9 байт в регистр устройства. Это команды для чтения, перемещения головок диска и форматирования дорожек, а также инициализации, распознавания, установки и калибровки контроллера и приводов.
Основными командами являются read и write. Каждая из них требует 16 параметров упакованных в 9 байт. Эти параметры определяют такие элементы, как адрес блока на диске, который нужно прочитать, количество секторов на дорожке, физический режим записи, расстановку промежутков между секторами. Они же сообщают, что делать с меткой адреса данных, которые были удалены.
Когда выполнение операции завершается чип контроллера возвращает упакованные в 7 байт 23 параметра, отражающие наличие и тип ошибок.
К тому же программист при работе с гибким диском должен постоянно знать, включен двигатель или нет. Если двигатель выключен, его следует включить с длительным ожиданием запуска прежде, чем данные будут прочитаны и записаны. Двигатель не может оставаться включенным слишком долго, т.к. гибкий диск изнашивается.
Программа, скрывающая все это и предоставляющая простой список поименованных файлов, которые можно читать и записывать, является операционной системой.
С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию расширенной машины (виртуальной), в которой проще программировать и работать, чем с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер.
Итог: ОС предоставляет ряд возможностей, которые могут использовать программы с помощью специальных команд, называемых системными вызовами.
ОС как менеджер ресурсов
К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и др.
Ресурсы распределяются между процессами.
Процесс – это динамический объект, который возникает в ОС после того, как пользователь или сама ОС решает «запустить программу на выполнение», т.е. создать новую единицу вычислительной работы.
Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:
планирование ресурса, т.е. определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
удовлетворение запросов на ресурс;
отслеживание состояния и учет использования ресурса, т.е. поддерживание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;
разрешение конфликтов между процессами.
Управление ресурсами включает их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве.
Когда ресурс распределяется во времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс – это задача ОС.
Например: три программы оказались работающими, и все они одновременно попытались напечатать свои выходные данные. ОС буферизирует все данные на диске во временном файле во время работы программы. Затем по окончании работы этой программы, система отправляет данные на принтер, в то время как другая программа может формировать свои данные, не обращая внимания, что они фактически не посылаются на принтер.
При пространственном мультиплексировании каждый клиент вместо поочередной работы получает часть ресурса.
Обычно оперативная память разделяется между работающими программами, которые могут находиться одновременно и постоянно в ОП. Другой ресурс, распределяемый в пространстве – жесткий диск. Во многих системах один и тот же диск может содержать файлы различных пользователей.
Для решения общих задач управления разные ОС используют различные алгоритмы, особенность которых, в конечном счете, и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс.
Например: применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.
Типы ОС
ОС для мэйнфреймов
Эти компьютеры размером с комнату все еще можно встретить в центрах данных больших корпораций. Мэйнфреймы отличаются от ПК по своим возможностям ввода/вывода. Довольно часто встречаются мэйнфреймы с 1000 дисков и терабайтами данных.
ОС для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода/вывода.
Обычно они предлагают 3 вида обслуживания:
пакетную обработку,
обработку транзакций (групповые операции),
разделение времени.
Пакетная обработка представляет собой систему, выполняющую стандартные операции без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме.
Например: обработка исков страховых компаний или составление отчетов о продажах для цепи магазинов.
Системы транзакций управляют очень большим количеством маленьких запросов. Например: контролирует процесс работы в банке или бронирование авиабилетов. Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на тысячи запросов в секунду.
Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине. Хорошим примером является работа с большой базой данных.
Все эти функции тесно связаны между собой, и зачастую ОС мэйнфрейма выполняет их все. Пример: OS|390.
Серверные ОС
Работают на серверах, которые представляют собой или очень большие ПК, или рабочие станции, или даже мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможности работы с печатающими устройствами, файлами и Интернетом.
Интернет - провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов.
На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы.
UNIX, Windows 2000, Windows 2003 server являются типичными серверными ОС. В этих целях стала использоваться и ОС Linux.
Многопроцессорные ОС
Все более часто применяемый способ увеличения мощности компьютеров заключается в соединении нескольких центральных процессоров в одной системе. В зависимости от вида соединения процессоров и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами.
Для них требуются специальные ОС, но зачастую такие операционные системы представляют собой серверные ОС со специальными возможностями.
ОС для ПК
Работа этих ОС заключается в представлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются для работы с текстами, электронными таблицами и доступа к Интернету.
Наиболее яркие примеры Windows 98, 2000, XP, ОС для компьютера Macintosh и Linux.
ОС реального времени
Главным параметром таких систем является время. Например: в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами на фабрике.
Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям (пример, конвейер машин). Если некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени, или внутри заданного диапазона времени,- то это жесткая система реального времени.
Существует гибкая система реального времени, в которой допускаются случающиеся время от времени пропуски сроков выполнения операций. В эту категорию попадают цифровые, аудио и мультимедийные системы.
Системы VxWorks и QNX- ОС реального времени.
Встроенные ОС
Карманный компьютер или PDA (Personal Digital Assistant- цифровой персональный помощник) это маленький компьютер, выполняющий небольшой набор функций (телефонной записной книжки и блокнота).
Встроенные системы, управляющие действием устройств, работают на машинах, обычно не считающихся компьютерами. Например, в телевизорах, микроволновых печах и мобильных телефонах. Они обладают теми же самыми характеристиками, что и системы реального времени, но при этом имеют особый размер, память и ограничение мощности, что выделяет их в отдельный класс. Например, PalmOS, Windows CE (Consumer Electronics- битовая техника).
ОС системы смарт - карт
Самые маленькие ОС работают на смарт - картах, представляющих собой устройство с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие ОС накладываются крайне жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например, электронным платежом, но другие ОС на тех же смарт картах выполняют сложные функции.
Требования к ОС
1. Главным требованием, предъявляемым к ОС, является выполнение ею основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг; многооконный графический интерфейс пользователя, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты к ОС предъявляются не менее важные эксплуатационные требования:
2) Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь ОС может измеряться десятилетиями. Поэтому ОС всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения 6олее значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например, поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.
3) Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессоpa, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностью.
4) Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных ОС, для которых наработана широкая номенклатура приложений. Поэтому для пользователя, переходящего с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения.
5) Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в основу ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.
6) Безопасность. Современная ОС должна защищать ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Для этого в состав ОС включают различные средства аутентификации, авторизации и аудита.
7) Производительность. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияют: архитектура ОС, качество программирования кода и многообразие поддерживаемых функций.
Контрольные вопросы
Что такое ресурсы и какова их классификация в теории ОС? Может ли принтер считаться разделяемым ресурсом?
Приведите примеры ресурсов, разделяемых одновременно.
Дайте определение операционной системы.
Перечислите основные функции операционной системы.
Перечислите типы операционных систем.
Каковы основные требования, предъявляемые к ОС?
|
