Общие сведения об операционных системах

· Третий период (1965 - 1980)

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов, это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей.

Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486. Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "не-интеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС. К началу 90-х практически все ОС стали сетевыми, способными поддерживать работу с разнородными клиентами и серверами. Появились специализированные сетевые ОС, предназначенные исключительно для выполнения коммуникационных задач (например, система IOS компании Cisco Systems, работающая в маршрутизаторах).

3. Классификация ОС

Для построения классификации ОС прежде всего необходимо выбрать основание классификации. Таких оснований множество, но наиболее существенными можно считать следующие:

• область использования ОС;
• типы аппаратной платформы;
• методы проектирования;
• реализация внутренних алгоритмов управления ресурсами.

· Предлагаемая классификация по области использования:

• настольные ОС (Desktop Operating System) – ОС, ориентированные на работу отдельного пользователя в различных предметных областях (разработка программ, работа с документами и т.п.); основными чертами настольных ОС являются универсальность и ориентированность на пользователя; представители – MacOS, Windows;
• серверные ОС, использующиеся в серверах сетей как центральное звено, а также в качестве элементов систем управления; основной чертой серверных ОС является надежность; представители – семейство UNIX, Windows NT;
• специализированные ОС, ориентированные на решение узких классов задач с жестким набором требований (высокопроизводительные вычисления, управление в реальном времени); системы такого рода практически неразрывно связаны с аппаратной платформой; представители – QNX, редуцированные и специализированные версии UNIX, системы собственной разработки;
• мобильные ОС - вариант развития настольных ОС на аппаратной платформе КПК; основные черты – удобство использования и компактность; представители – PalmOS, Windows CE.

Безусловно, данная классификация не является абсолютно жесткой, т.е. одна и та же система может исполнять различные функции. Примером тому служит использование Linux с графической оболочкой в качестве настольной ОС или Windows NT в качестве серверной. Однако каждая ОС «сильна» только в своем классе.

· Несложно заметить, что каждый класс ОС из приведенной классификации работает на своей аппаратной платформе, так что эта классификация в той или иной мере является и классификацией по типу этой платформы. Можно однако попытаться провести более строгую классификацию такого рода, выделив, в частности, в отдельные классы:

• ОС для платформы х86, однопроцессорные варианты;
• ОС для платформы х86, многопроцессорные варианты;
• ОС для RISC платформ;
• ОС для мобильных устройств;
• встраиваемые ОС (ОС таких устройств, как принтеры, ЦФК и т.п.).

· По внутренним алгоритмам управления ресурсами можно создать несколько бинарных классификаций:

• многозадачные /однозадачные ОС
• многопользовательские /однопользовательские ОС и т.п.

Последняя классификация будет уточняться по мере рассмотрения механизмов управления ресурсами.

 

 

 

4. Функциональные компоненты ОС. Общая  характеристика

4.1. Понятие ресурса

Под ресурсом понимается любой объект, который может быть использован вычислительным процессом (распределен в процессе вычислений).

Основные ресурсы:

• аппаратные – процессоры, память, внешние устройства;
• информационные – данные и программы.

4.2. Основные функциональные компоненты ОС автономного компьютера

Программы ОС группируются согласно выполняемым функциям и называются подсистемами ОС. Все подсистемы разделяются на два больших класса по следующим признакам:

• по типам локальных ресурсов, которыми управляет ОС; соответствующие подсистемы – подсистемы управления ресурсами;
• по специфические задачи, применимым ко всем ресурсам; соответствующие подсистемы – подсистемы, общие для всех ресурсов.

Основные подсистемы управления ресурсами – это подсистемы:

• управления процессами;
• управления памятью;
• управления файлами и внешними устройствами.

Общие для всех ресурсов – это подсистемы:

• прикладного программного и пользовательского интерфейсов;
• защиты данных и администрирования.

Во вводной части (см. п. 1) при описании функций ОС фактически были перечислены функции этих подсистем. Охарактеризуем их и далее перейдем к их рассмотрению в рамках отдельных тем.

· Управление процессами

Эта подсистема – важнейшая часть ОС.

Процесс кратко можно определить как «программу в стадии выполнения». Реально это некоторый исполняемый код, содержащий обращения к функциям операционной системы и через их посредство получающий доступ к ресурсам. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов.

Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов и выполняет следующие функции:

• распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами;
• занимается созданием, переключением состояния и уничтожением процессов;
• обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами;
• поддерживает синхронизацию процессов;
• обеспечивает взаимодействие процессов.

· Управление памятью

Функциями подсистемы управления памятью являются:

• отслеживание свободной и занятой памяти;
• выделение памяти процессам и ее освобождение при завершении процесса;
• защита памяти процесса;
• вытеснение процессов из оперативной памяти на диск при ее нехватке и возвращение в оперативную память при освобождении места в ней (механизм виртуальной памяти);
• настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

· Управление файлами и внешними устройствами

Управление файлами и внешними устройствами осуществляется совместной работой двух подсистем – файловой системы и подсистемы ввода-вывода.

Файловая система (ФС), экранирует сложности взаимодействия с реальной аппаратурой при работе с данными. ФС виртуализирует для пользователя набор данных на внешнем накопителе в виде файла – последовательности байтов, имеющей символьное имя. Файлы группируются в каталоги. Пользователь может с помощью ОС выполнять над каталогами и файлами такие действия как создание, изменение, удаление, вывод содержимого, поиск по имени.

Файловая система выполняет преобразование символьных имен файлов в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

Подсистема ввода-вывода, или подсистема управления внешними устройствами, осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью по запросам файловой системы. Эта подсистема, располагая набором драйверов различных устройств, обеспечивает также интерфейс между компьютером и устройствами, подключенными к нему.

Таким образом, ОС поддерживает высокоуровневый унифицированный интерфейс для написания прикладных программ. Со времени появления ОС Unix этот интерфейс в большинстве систем строится на концепции файлового доступа: обмен с внешним устройством выглядит как обмен с файлом. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, принтер или сетевой адаптер. Реальная аппаратура подменяется удобными для пользователя и программиста абстракциями.

· Интерфейс прикладного программирования и пользовательский интерфейс

ŸŸ Под интерфейсом прикладного программирования понимаются средства, предоставляемые операционной системой для обращения к ее возможностям при написании приложений. Традиционно термин «прикладное программирование» использовался как противоположный «системному программированию». Относительное различие системного и прикладного программирования заключается в том, что путем создания программ первое предполагает расширение возможностей операционной системы, а второе – решение задач из конкретной проблемной области. В данном случае это различие несущественно.

В программах обращения к ОС используются по крайней мере в следующих случаях:

• для выполнения действий с особым статусом, которым обладает только ОС (например, для управления аппаратными средствами компьютера); обычно это необходимо для более эффективного использования аппаратных ресурсов;
• для упрощения написания приложений посредством использования готовых отлаженных сервисных функций ОС, реализующих часто требующиеся универсальные действия.

Возможности ОС доступны программисту в виде набора функций, называющегося API (Application Programming Interface, интерфейс прикладного программирования). При этом для разработчика приложений все особенности конкретной ОС представлены особенностями ее API, поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API представляются на этом уровне как одна ОС. Это упрощает стандартизацию ОС и обеспечивает переносимость приложений в рамках ОС одного стандарта. Например, следование общим стандартам API Unix позволяет говорить о некоторой обобщенной ОС Unix при существенных различиях внутренней организации версий этой ОС от разных производителей.

Приложения обращаются к функциям API с помощью системных вызовов. Способ организации системных вызовов зависит от структурной организации ОС, связанной с аппаратной платформой, и от языка программирования.

Так, в MS-DOS обращение к системным функциям осуществляется из программы на языке ассемблера путем вызова  программного прерывания. Предварительно в регистры заносятся код системной функции и адрес размещения входных данных либо сами данные. Выходные данные возвращаются функцией в зависимости от ее назначения на устройство вывода либо через регистр. Термин API применительно к средствам вызова системных функций MS-DOS не использовался (он введен позже) и может быть применен только задним числом.