Операционные системы современных вычислительных комплексов

Типы  операционных систем. 

     Операционная  система цифровой вычислительной системы - система программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователям набора услуг.

      Основными функциями ОС являются:

• автоматическое выполнение действий по запуску задач в обработку и их завершению;
• диспетчеризация (планирование обработки задач);
• распределение памяти между различными задачами;
• управление ходом выполнения задач в вычислительной системе;
• распределение задачам необходимых ресурсов ВС;
• синхронизация выполнения задач;
• поддержка выполнения операций ввода/вывода данных;
• ведение учета работы системы (при необходимости).

      Выполнение  своих функций ОС осуществляется с помощью соответствующих программных комплексов управления, которые носят название супервизорных программ (супервизоров или менеджеров).

      Супервизорная программа машинная программа, являющаяся обычно частью операционной системы, которая управляет выполнением других машинных программ и регулирует поток работ в системе управления данными.

     Супервизор  часть управляющей программы, координирующая распределение ресурсов вычислительной системы.

     В целом современные операционные системы представляют собой иерархическую структуру (рис.2.2). В основе иерархии находится аппаратура вычислительной машины, называемая иногда “чистой машиной” или “голым железом”. На следующем уровне иерархии (иногда на следующих нескольких уровнях) находятся некоторые функции ядра операционной системы. В совокупности с этими функциями ядра (называемыми еще “примитивами”) компьютер становится расширенной машине , т.е. машиной, которая представляет для операционной системы и пользователей не только свой машинный язык, но и ряд дополнительных возможностей. Выше над ядром расположены программы ОС для обеспечения выполнения задач пользователя (управления внешними устройствами, обслуживание операций ввода/вывода и т.п.). На вершине иерархии находятся программы пользователя. В подобных иерархических системах принято, как правило, следующее ограничение: допускается обращение только сверху вниз в иерархии, т.е. средства каждого уровня могут обращаться только к тем функциям, которые находятся на ближайшем нижележащем уровне.

Обслуживающие (сервисные) программы (утилиты) предназначены для выполнения различных вспомогательных функций и разделяются на следующие типы: программы-упаковщики (архиваторы); антивирусные программы; программы резервирования; программы диагностики компьютера; программы оптимизации дисков; программы динамического сжатия дисков.

     Инструментальные  программные средства, называемые также средствами разработки приложений и системами программирования, являются орудием автоматизации разработок программного обеспечения ЭВМ, обеспечивающим повышение производительности труда разработчиков и надежности ПО.

      К инструментальным программным средствам  относятся:

• компиляторы и интерпретаторы;
• автономные отладчики (дебагеры, от англ. Debug “удаление насекомых”);
• интегрированные оболочки;
• средства создания приложений типа клиент-сервер и т.п.

      Существующие  инструментальные программные средства обеспечивают разработчиков ПО всем необходимым набором функций для создания мощного программного обеспечения решения прикладных задач любой мощности для практически всех предметных областей.

1.3. Классификация операционных  систем

     Операционные  системы могут различаться особенностями  реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

     Ниже  приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.

1.3.1. Особенности алгоритмов  управления ресурсами

     От  эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

1.3.1.1. Поддержка многозадачности

     По  числу одновременно выполняемых  задач операционные системы могут  быть разделены на два класса:

     однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

     многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

     Однозадачные  ОС в основном выполняют функцию  предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

     Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

     Поддержка многопользовательского режима. По числу  одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

     однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

     многопользовательские (UNIX, Windows NT).

     Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

     Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

     невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

     вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

     Основным  различием между вытесняющим  и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

1.3.1.2. Поддержка многонитевости

     Важным  свойством операционных систем является возможность распараллеливания  вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

     Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

     В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

     Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу  организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

     Выше  были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

     Специфика ОС проявляется и в том, каким  образом она реализует сетевые  функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

1.3.2. Особенности аппаратных  платформ

     На  свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

     Очевидно, что ОС большой машины является более  сложной и функциональной, чем  ОС персонального компьютера. Так  в ОС больших машин функции  по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.

     Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

     Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью  которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

     Другие  требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо  связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно  для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

     Наряду  с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.