Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Назначение операционной системы
Операционная система компьютера представляет 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 определением ОС выполняет две группы функций:
ОС как виртуальная машина
Для того чтобы успешно решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Предоставляя пользовательский интерфейс и интерфейс прикладного программирования, ОС избавляет и пользователя и программиста от знания подробностей аппаратуры.
ОС как система управления ресурсами
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 некоторые другие. Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:
2. Функциональные компоненты операционной системы
Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, зашиты данных и администрирования.
2.1 Управление процессами
Процесс - это единица работы вычислительной системы, которую можно определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов.
Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему
Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат
В мультипрограммной ОС одновременно может существовать несколько процессов, которые претендуют на одни и те же ресурсы, следовательно в обязанности ОС входит:
Таким образом, подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами
2.2 Управление памятью
Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает
Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они могут отличаться количеством выделяемых процессу областей памяти (в виде одной непрерывной области или в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы границы областей (жестко зафиксированных или динамически перемещаемых ). В некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других — сегментами переменной длины. Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных ОС является виртуальная память.
Защита памяти — это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Правильно написанные программы не пытаются обращаться к памяти, назначенной другим. Однако реальные программы часто содержат ошибки, в результате которых такие попытки иногда предпринимаются. Средства защиты памяти, реализованные в операционной системе, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.
.2.3 Управление файлами и внешними устройствами
Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры проявляется в одной из основных подсистем ОС — файловой системе. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы — каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство, изменение и сохранение содержимого.
При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью. Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive — управлять, вести). Драйвер может управлять единственной моделью устройства, или же группой устройств определенного типа. Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Такой унифицированный интерфейс в большинстве ОС строится на основе концепции файлового доступа : обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством ОС подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями.
2.4 Защита данных и администрирование
Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами
. Функции защиты ОС очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы, в выполнении тех или иных системных действий. Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС, заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы..
Поддержка отказоустойчивости реализуется ОС на основе резервирования: поддержание нескольких копий данных на разных дисках или разных дисковых накопителях, резервируются также принтеры и другие устройства ввода-вывода. При отказе одного из избыточных устройств ОС должна быстро и прозрачным для пользователя образом произвести реконфигурацию системы и продолжить работу с резервным устройством. Особым случаем обеспечения отказоустойчивости является использование нескольких процессоров (мультипроцессирование), когда система продолжает работу при отказе одного из процессоров, хотя и с меньшей производительностью. (Необходимо отметить, что многие ОС использует мультипроцессорную конфигурацию компьютера только для ускорения работы и при отказе одного из процессоров прекращают работу.) Поддержка отказоустойчивости также входит в обязанности системного администратора. В состав ОС обычно входят утилиты, позволяющие администратору выполнять регулярные операции резервного копирования для обеспечения быстрого восстановления важных данных.
2.5 Интерфейс прикладного программирования
Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС,
Возможности ОС доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, APT). От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.
Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API кажутся им одной и той же ОС, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API.
Приложения выполняют обращения к функциям API с помощью системных вызовов. Способ, которым приложение получает услуги операционной системы, очень похож на вызов подпрограмм. Способ реализации системных вызовов зависит от структурной организации ОС, которая, в свою очередь, тесно связана с особенностями аппаратной платформы. Кроме того, он зависит от языка программирования.
2.6 Пользовательский интерфейс
Операционная система должна обеспечивать удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для человека, работающего за терминалом. Этот человек может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом. Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского интерфейса двух типов:
. Обычно командный язык ОС позволяет запускать и останавливать приложения, выполнять различные операции с файлами и каталогами, получать информацию о состоянии ОС (количество работающих процессов, объем свободного пространства на дисках и т. п.), администрировать систему. Команды могут вводиться не только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд. Программный модуль ОС, ответственный за чтение отдельных команд или же последовательности команд из командного файла, иногда называют командным интерпретатором.
Ввод команды может быть упрощен, если операционная система поддерживает графический пользовательский интерфейс. В этом случае пользователь для выполнения нужного действия с помощью мыши выбирает на экране нужный пункт меню или графический символ.
Существуют различные системы классификаций ОС – в зависимости от критериев и показателей, взятых за основу классификации. Рассмотрим две схемы классификации ОС.
Классификация 1.
Операционные системы могут классифицироваться по следующим показателям:
однопользовательские ОС (MS-DOS, WINDOWS)
многопользовательские ОС (VM, UNIX);
пакетные (OS 360),
интерактивные (Windows, UNIX),
системы реального времени (QNX, Neutrino, RSX);
однозадачные ОС (MS-DOS)
многозадачные (Windows, UNIX).
Операционная система предназначена для выполнения следующих основных (и тесно взаимосвязанных) функций: управление данными; управление задачами (заданиями, процессами), связь с человеком-оператором. В различных ОС эти функции реализуются в различных масштабах и с помощью разных технических, программных, информационных методов и средств.
Классификация 2.
По тому, какие из функций ОС реализованы, каким было уделено больше внимания, а каким меньше, системы можно разделить на несколько классов
General Purpose Operating Systems (ОС общего назначения)
Real -Time Systems (ОС реального времени)
Hybrid or/and
“in-between”
system
(системы промежуточных типов)
Классификация операционных систем
3.1 Дисковые операционные системы
Это системы, берущие на себя выполнение только простых функций. Как правило, они представляют собой некий резидентный набор подпрограмм, не более того. ДОС загружает пользовательскую программу в память и передает ей управление, после чего программа делает с системой все, что ей заблагорассудится. Как правило, такие системы работают одновременно только с одной программой. Дисковая операционная система MS DOC для IBM PC – совместимых машин является прямым наследником одного из таких резидентных мониторов. Существование системы этого класса обусловлено их простотой и тем, что они потребляют мало ресурсов. Еще одна причина, по которой такие системы могут использоваться даже на довольно мощных машинах – требование программной совместимости с ранними моделями того же семейства компьютеров.
К этому классу относятся системы, берущие на себя выполнение всех основных функций ОС. т.е. рассчитанные на интерактивную работу одного или нескольких пользователей в режиме разделения времени, при не очень жестких требованиях ко времени реакции системы на внешние события. Как правило, в таких системах уделяется большое внимание защите самой системы, программного обеспечения и пользовательских данных от ошибочных и злонамеренных программ и пользователей. Обычно подобные системы используют встроенные в архитектуру процессора средства защиты и виртуализации памяти. К этому классу относятся такие широко распространенные системы, как Windows, системы семейства Unix.
3.3 Система виртуальных машин
Такие системы стоят несколько особняком. Система виртуальных машин – это ОС, допускающая одновременную работу нескольких программ, но создающая при этом для каждой программы иллюзию того, что машина находится в полном ее распоряжении, как при работе под управлением ДОС. Зачастую, “программой” оказывается полноценная операционная система – примерами таких систем являются VMWare для машин с архитектурой х86 ил VM для System/70 и ее потомков.
Виртуальные машины являются ценным средством при разработке и тестировании кросс платформенных приложений. Реже они используются для отладки модулей ядра или самой операционной системы. Такие системы отличаются высоким накладными и сравнительно низкой надежностью, поэтому относительно редко находят промышленное применение. Часто СВМ являются подсистемой ОС общего назначения: MS DOS и MS Windows , эмуляторы для UNIX и OS/2 , подсистема WoW в Windows NT/2000/XP, сессия DOS в Windows 3.х/95/98/ME, эмулятор RT- 11 в VAX/VMS.
В системах виртуальных машин, как правило, приходится уделять много внимания эмуляции работы аппаратуры.. Разработка таких систем является сложным и часто неблагодарным делом. Архитектура таких систем сильно зависит от свойств виртуализуемой аппаратуры.
Это системы, предназначенные для облегчения разработки так называемых приложений реального времени – программ, управляющих некомпьютерным оборудованием, часто с очень жесткими ограничениями по времени. Примером такого приложения может быть программа бортового компьютера fly-by-wire (дословно – “летящий по проволоке”, т.е. использующий систему управления, в которой органы управления не имеют механической и гидравлической связи с рулевыми плоскостями ) самолета, системы управления ускорителем элементарных частиц или промышленным оборудованием. Подобные системы обязаны поддерживать многопоточность, гарантированное время реакции на внешнее событие, простой доступ к таймеру и внешним устройствам. Способность гарантировать время реакции является отличительным признаком систем PB. Важно учитывать различие между гарантированностью и просто высокой производительностью и низкими накладными расходами. Далеко не все алгоритмы и технические решения, даже и обеспечивающие отличное среднее время реакции, годятся для приложений и операционных систем PB.
Новомодное течение в компьютерной технике – multimedia – при качественной реализации предъявляет к системе те же требования, что и промышленные задачи реального времени. В multimedia основной проблемой является синхронизация изображения на экране со звуком. Именно в таком порядке. Звук обычно генерируется внешним аппаратным устройствам с собственным таймером, и изображение синхронизируется с ним. Человек способен заменить довольно малые временные неоднородности в звуковом потоке, а пропуск кадров в визуальном потоке не так заметен. Расхождение же звука и изображения фиксируется человеком уже при задержки около 30 мс. Поэтому системы высококачественного multimedia должна обеспечивать синхронизацию с такой же или более высокой точностью, что мало отличается от реального времени.
Так называемые ”мягкое реальное время” (soft real time), предоставляемое современными Win32 платформами, не является реальным временем вообще. Система “мягкого РВ” обеспечивает не гарантированное, а всего лишь среднее время реакции. Для мультимедийных приложений и игр различие между “средним” и “гарантированным” не очень критично – ну дернется картинка, или поплывет звук. Но для промышленных приложений, где необходимо настоящее реальное время, это обычно неприемлемо.
Это системы, предназначенные для разработки программ в двухмашинной конфигурации, когда редактирование, компиляция, а зачастую и отладка кода производятся на инструментальной машине ( в англоязычной литературе ее часто называют host – дословно, “хозяин”), а потом скомпилированный код загружается в целевую систему. Чаще всего они используются для написания и отладки программ, позднее прошиваемых в ПЗУ. Примерами таких ОС являются системы программирования микроконтроллеров Intel, Almel, PIC и др., системы Windows CE, Palm OS и т.д. Такие системы, как правило, включают в себя:
набор компиляторов и ассемблеров, работающих на инструментальной машине с нормальной“ ОС;
библиотеки, выполняющие большую часть функций ОС при работе программы (но не загрузку этой программы!);
средства отладки.
Иногда встречаются кросс системы, в которых компилятор работает не на инструментальной машине, а в целевой системе – так, например, устроена среда разработки для семейства микропроцессоров Transputer компании Inmos.
Существуют системы, которые нельзя отнести к одному из вышеперечисленных классов. Такова, например, система RT-11, которая, по сути своей, является ДОС, но богатыми средствами взаимодействия и синхронизации. Другим примером промежуточной системы является MS Windows 3.x и Windows 95, которые, как ОС, используют аппаратные средства процессора для защиты и виртуализации памяти и даже могут обеспечивать некоторое подобие многозадачности, но не защищают себя и программы от ошибок других программ, подобно ДОС.
Некоторые системы реального времени, например QNX, могут использоваться как в качестве самостоятельной ОС, загружаемой с жесткого диска в оперативную память, так и будучи прошиты в ПЗУ. Эти системы могут быть отнесены одновременно и к ОС общего назначения, и к системам кросс-разработки.
Таких примером “гибридизации” можно привести множество, поэтому к вышеприведенной лакссификации следует относиться с определенной осторожностью.
4.Семейства операционных систем
Часто можно проследить преемственность между различными ОС, необязательно разработанным одной компанией. Отчасти такая преемственность обусловлена требованиями совместимости или хотя бы переносимости прикладного программного обеспечения, отчасти – заимствованием отдельных удачных концепций.
На основании такой преемственность можно выстроить “генеалогические деревья” ОС и – с той или иной обоснованностью – объединять их в семейства. Граф родства ОС не является деревом и нередко содержит циклы, поэтому бесспорной многоуровневой классификации, охватывающий всю техносферу, выстроить не удается. Тем не менее, с достаточно большой уверенностью можно выделить минимум три семейства ныне эксплуатирующихся ОС .
Системы для больших компьютеров фирмы IBM – OS/390, z/OS и IBM VM.
Обширное, бурно развивающееся и имеющее трудно определимые границы семейства Unix. В этой книге под системами данного семейства мы будем подразумевать прежде всего ОС трех основных родов:
Unix System V Release 4.x: Sunsoft Solaris, SCO Unixware;
Berkeley Software Distribution Unix: BSDI, FreeBSD;
Linux.
Семейство прямых и косвенных потомков Control Program/Monitor(CP/M) фирмы Digital Research. В этом семействе можно выделить также весьма широко известное подсемейство \sysname{Win32}-платформ (рис. В2.).
Еще одно практически вымершее к настоящему моменту, но оставившее в наследство ряд важных и интересных концепций семейство – это операционные системы для мини- и микрокомпьютеров фирмы DEC: RT-11, RSX-11 и VAX/VMS.
Ряд систем, в том числе и коммерческие успешные, например OS/400, не могут быть с уверенностью отнесены ни к одному из перечисленных семейств, поэтому, как и к классификации предыдущего раздела, к данной классификации надо относиться с осторожностью.
Некоторые приложения накладывают жесткие требования к выбору ОС. Например, задачи управления промышленным или исследовательским оборудованием в режиме жесткого реального времени вынуждают делать выбор между специализированными ОС реального времени и некоторыми ОС общего назначения, такими как Unix System V Release 4 . Другие приложение, например серверы без данных, просто требуют высокой надежности и производительности, что отсекает системы класса ДОС и MS Windows.
Наконец, некоторые задачи, такие как автоматизация конторской работы в небольших организациях, не предъявляют высоких требований к надежности, производительности и времени реакции системы, что предоставляет широкий выбор между различными ДОС, MS Windows, Mac OS и многими системами общего назначения. Современные версии Windows вполне адекватны большинству задач конторской автоматизации.
Основная проблема многих ОС, в частности, MS Windows, состоит в том, что они не обеспечивает путей плавного и безболезненного перехода к другим платформам, даже если возникнет необходимость такого перехода (закрытые (closed) платформы, поставляемые одной фирмой и использующие нестандартные “фирменные” интерфейсы).
Требования к современным ОС
Альтернативной закрытым решениям является концепция открытых систем. Идея открытых систем исходит из того, что для разных задач необходимы разные системы – как специализированные, так и системы общего назначения, просто по-разному настроенные и сбалансированные. Сложность состоит в том, чтобы обеспечить:
взаимодействие разнородных систем в гетерогенной сети;
обмен данными между различными приложениями на разных платформах;
переносимость прикладного ПО с одной платформы на другую, хотя бы путем перекомпиляции исходных текстов;
по возможности однородный пользовательский интерфейс.
Эти задачи предполагают решать при помощи открытых стандартов
В качестве стандартного сетевого протокола получило широкое распространение семейство протоколов TCP/IP. Документация по протоколам этого семейства имеет статус public domain (общественная собственность).
Обсуждение стандартных форматов данных позволяет отметить следующее: в настоящее время существует много общепризнанных стандартов представления изображений (особенно растровых) и звуковых данных, но некоторые типы данных так и не имеют признанной стандартной формы. Например, есть несколько открытых форматов представления форматированного текста: troff, LATEX и другие пакеты макросов для системы TEX, и, наконец, стандарт SGML (Standart Generalized Markup Language), но ни один из этих стандартов не пользуется популярностью среди разработчиков коммерческих текстовых процессоров. Причины такого отношения чисто коммерческие.
Для того чтобы как-то обеспечить переносимость программ между системами различных типов, принимались различные стандарты интерфейса между пользовательской программой и ОС. Одной из относительно удачных попыток стандартизации системных вызовов был POSIX (Portable Operating System Interface [based on Unix]– переносимый интерфейс операционной системы, основанный на Unix), который в той или иной форме поддерживает всеми системами Unix и некоторыми ОС, не входящими в семейство Windows NT. Но наибольший успех имела деятельность консорциума X/Open, который в 1998 году сертифицировал операционную системы OS/390 фирмы IBM как соответствующую спецификациям Unix/95.