Теория возникновения операционных систем

Рабочий вариант стека  протоколов TCP/IP был создан в конце 70-х годов. Этот стек представлял  собой набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды и предназначался для связи экспериментальной сети ARPANET с другими «сателлитными» сетями. В 1983 году стек протоколов TCP/IP был принят Министерством обороны США в качестве военного стандарта. Переход компьютеров сети ARPANET на стек TCP/IP ускорила его реализация для операционной системы BSD UNIX. С этого времени началось совместное существование UNIX и протоколов TCP/IP, а практически все многочисленные версии Unix стали сетевыми.

Внедрение протоколов TCP/IP в ARPANET придало этой сети все основные черты, которые отличают современный Интернет. В 1983 году сеть ARPANET была разделена на две части: MILNET, поддерживающую военные ведомства США, и новую ARPANET. Для обозначения составной сети ARPANET и MILNET стало использоваться название Internet, которое в русском языке со временем (и с легкой руки локализаторов Microsoft) превратилось в Интернет. Интернет стал отличным полигоном для испытаний многих сетевых операционных систем, позволившим проверить в реальных условиях возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной нагрузке, создаваемой сотнями и тысячами пользователей. Стек протоколов TCP/IP также ждала завидная судьба. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой в Интернете, а также открытость и доступность стандартов сделали протоколы TCP/IP не только главным транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых операционных систем.

Все десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, все более совершенных версий ОС UNIX. Среди них были и фирменные версии UNIX: SunOS, HP-UX, Irix, AIX и многие другие, в которых производители компьютеров адаптировали код ядра и системных утилит для своей аппаратуры. Разнообразие версий породило проблему их совместимости, которую периодически пытались решить различные организации. В результате были приняты стандарты POSIX и XPG, определяющие интерфейсы ОС для приложений, а специальное подразделение компании AT&T выпустило несколько версий UNIX System III и UNIX System V, призванных консолидировать разработчиков на уровне кода ядра.

Начало 80-х годов связано  с еще одним знаменательным для  истории операционных систем событием -- появлением персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость была существенно ниже. Если мини-компьютер позволил иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер дал такую возможность отдельному человеку. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения, и предоставление этих «дружественных» функций стало прямой обязанностью операционных систем. Персональные компьютеры послужили также мощным катализатором для бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен компьютеров, принадлежащих одному предприятию и расположенных в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

Однако и дружественный интерфейс, и сетевые функции появились  у операционных систем персональных компьютеров не сразу. Первая версия наиболее популярной операционной системы раннего этапа развития персональных компьютеров -- MS-DOS компании Microsoft -- была лишена этих возможностей. Это была однопрограммная однопользовательская ОС с интерфейсом командной строки, способная стартовать с дискеты. Основными задачами для нее были управление файлами, расположенными на гибких и жестких дисках в UNIX-подобной иерархической файловой системе, а также поочередный запуск программ. MS-DOS не была защищена от программ пользователя, так как процессор Intel 8088 не поддерживал привилегированного режима. Разработчики первых персональных компьютеров считали, что при индивидуальном использовании компьютера и ограниченных возможностях аппаратуры нет смысла в поддержке мультипрограммирования, поэтому в процессоре не были предусмотрены привилегированный режим и другие механизмы поддержки мультипрограммных систем.

Недостающие функции для MS-DOS и подобных ей ОС компенсировались внешними программами, предоставлявшими пользователю удобный графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров оказала операционная среда Windows компании Microsoft, представлявшая собой надстройку над MS-DOS.

Сетевые функции также реализовывались в основном сетевыми оболочками, работавшими поверх ОС. При сетевой работе всегда необходимо поддерживать многопользовательский режим, при котором один пользователь -- интерактивный, а остальные получают доступ к ресурсам компьютера по сети. В таком случае от операционной системы требуется хотя бы некоторый минимум функциональной поддержки многопользовательского режима. История сетевых средств MS-DOS началась с версии 3.1. Эта версия MS-DOS добавила к файловой системе необходимые средства блокировки файлов и записей, которые позволили более чем одному пользователю иметь доступ к файлу. Пользуясь этими функциями, сетевые оболочки могли обеспечить разделение файлов между сетевыми пользователями.

Вместе с выпуском версии MS-DOS 3.1 в 1984 году компания Microsoft также выпустила продукт, называемый Microsoft Networks, который обычно неформально называют MS-NET. Некоторые концепции, заложенные в MS-NET, такие как введение в структуру базовых сетевых компонентов -- редиректора и сетевого сервера, успешно перешли в более поздние сетевые продукты Microsoft: LAN Manager, Windows for Workgroups, а затем и в Windows NT.

Сетевые оболочки для персональных компьютеров выпускали и другие компании: IBM, Artisoft, Performance Technology и другие.

Иной путь выбрала компания Novell. Она изначально сделала ставку на разработку операционной системы со встроенными сетевыми функциями  и добилась на этом пути выдающихся успехов. Ее сетевые операционные системы NetWare на долгое время стали эталоном производительности, надежности и защищенности для локальных сетей.

Первая сетевая операционная система  компании Novell появилась на рынке  в 1983 году и называлась OS-Net. Эта ОС предназначалась для сетей, имевших  звездообразную топологию, центральным  элементом которых был специализированный компьютер на базе микропроцессора Motorola 68000. Немного позже, когда фирма IBM выпустила персональные компьютеры PC XT, компания Novell разработала новый продукт -- NetWare 86, рассчитанный на архитектуру микропроцессоров семейства Intel 8088.

С самой первой версии ОС NetWare распространялась как операционная система для  центрального сервера локальной  сети, которая за счет специализации на выполнении функций файл-сервера обеспечивает максимально возможную для данного класса компьютеров скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. За высокую производительность, пользователи сетей Novell NetWare расплачиваются стоимостью -- выделенный файл-сервер не может использоваться в качестве рабочей станции, а его специализированная ОС имеет весьма специфический прикладной программный интерфейс (API), что требует от разработчиков приложений особых знаний, специального опыта и значительных усилий.

В отличие от Novell большинство других компаний развивали сетевые средства для персональных компьютеров в рамках операционных систем с универсальным интерфейсом API, то есть операционных систем общего назначения. Такие системы по мере развития аппаратных платформ персональных компьютеров стали все больше приобретать черты операционных систем мини-компьютеров.

В 1987 году в результате совместных усилий Microsoft и IBM появилась первая многозадачная  операционная система для персональных компьютеров с процессором Intel 80286, в полной мере использующая возможности  защищенного режима -- OS/2. Эта система была хорошо продуманна. Она поддерживала вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс (не с первой версии) и виртуальную машину для выполнения DOS-приложений. Фактически она выходила за пределы простой многозадачности с ее концепцией распараллеливания отдельных процессов, получившей название многопоточности.

OS/2 с ее развитыми функциями  многозадачности и файловой системой HPFS со встроенными средствами  многопользовательской защиты оказалась хорошей платформой для построения локальных сетей персональных компьютеров. Наибольшее распространение получили сетевые оболочки LAN Manager компании Microsoft и LAN Server компании IBM, разработанные этими компаниями на основе одного базового кода. Эти оболочки уступали по производительности файловому серверу NetWare и потребляли больше аппаратных ресурсов, но имели важные достоинства -- они позволяли, во-первых, выполнять на сервере любые программы, разработанные для OS/2, MS-DOS и Windows, а во-вторых, использовать компьютер, на котором они работали, в качестве рабочей станции.

Сетевые разработки компаний Microsoft и IBM привели к появлению NetBIOS -- очень  популярного транспортного протокола  и одновременно интерфейса прикладного программирования для локальных сетей, получившего применение практически во всех сетевых операционных системах для персональных компьютеров. Этот протокол и сегодня применяется для создания небольших локальных сетей.

Не очень удачная рыночная судьба OS/2 не позволила системам LAN Manager и LAN Server захватить заметную долю рынка, но принципы работы этих сетевых систем во многом нашли свое воплощение в более удачливой операционной системе 90-х годов -- Microsoft Windows NT, содержащей встроенные сетевые компоненты, некоторые из которых имеют приставку LM -- от LAN Manager.

В 80-е годы были приняты основные стандарты на коммуникационные технологии для локальных сетей: в 1980 году -- Ethernet, в 1985 -- Token Ring, в конце 80-х -- FDDI. Это  позволило обеспечить совместимость  сетевых операционных систем на нижних уровнях, а также стандартизовать интерфейс ОС с драйверами сетевых адаптеров.

Для персональных компьютеров  применялись не только специально разработанные для них операционные системы, подобные MS-DOS, NetWare и OS/2, но и адаптировались уже существующие ОС. Появление процессоров Intel 80286 и особенно 80386 с поддержкой мультипрограммирования позволило перенести на платформу персональных компьютеров ОС UNIX. Наиболее известной системой этого типа была версия UNIX компании Santa Cruz Operation (SCO UNIX).

2 АРХИТЕКТУРА ОС

2.1 Ядро и вспомогательные модули  ОС

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы  является разделение всех ее модулей на две группы:

1) ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;

2) модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами -- системными вызовами -- для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования -- API.

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.

Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте, дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями.

2.2 Ядро в привилегированном  режиме

Для надежного управления ходом  выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Все усилия разработчиков операционной системы окажутся напрасными, если их решения воплощены в незащищенные от приложений модули системы, какими бы элегантными и эффективными эти решения ни были. Операционная система должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами.

Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы -- пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения -- в пользовательском режиме.

Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая  работает в привилегированном режиме. Иногда это свойство -- работа в привилегированном режиме -- служит основным определением понятия «ядро».

2.3 Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный -- ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы. Слоистую структуру вычислительной системы принято изображать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Действительно, при такой организации ОС приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.