1 функции ос. Понятие операционной системы(ОС). Назначение, основные функции и разновидности ОС
Операционная система компьютера
Операционной системой называется комплекс программных средств, обеспечивающих функционирование отдельных устройств компьютера и их взаимодействие, а также взаимодействие устройств компьютера и прикладных программ. Следует отметить, что современные компьютеры конструируются в расчете на то, что они будут работать под управлением какой-нибудь операционной системы. Операционная система обеспечивает работоспособность компьютера и создает ту среду, в которой функционируют компьютерные программы. Кроме того, при включении компьютера в локальную сеть операционная система может выполнять часть сетевых функций.
Исторически операционная система появилась как комплекс программ, освобождающих программистов от программирования типовых операций, повторяющихся от программы к программе. Элементарные операции для работы с устройствами компьютера и для управления ресурсами компьютера - это операции низкого уровня. В прикладных программах их всегда бывает очень много, и в разных программах они по своей сути одинаковые. Как только вычислительные машины и программы для них достигли определенного уровня производительности, дальнейший прогресс в программировании стал невозможен без унификации всех стандартных операций при работе с отдельными устройствами компьютера.
Первые операционные системы представляли собой единый интегрированный комплекс служебных программ, обеспечивающий взаимодействие пользовательских программ с различными элементами компьютера и пригодный для широкого класса компьютеров. Постепенно на операционную систему был возложен ряд функций по управлению процессами, происходящими в компьютере. Постепенно круг этих функций расширялся, пока сформировался современный взгляд на предназначение и функции операционной системы.
Современные операционные системы обеспечивают:
¨ установку операционной системы на компьютере;
¨ включение и исключение функциональных компонент в составе ОС;
¨ настройку параметров операционной системы;
¨ загрузку операционной системы при включении компьютера;
¨ тестирование устройств компьютера и функциональных подсистем ОС и исправление возможных нарушений;
¨ автоматическое определение текущей конфигурации устройств компьютера (Plug And Play);
¨ управление памятью;
¨ управление выполнением программ;
¨ управление вводом-выводом;
¨ управление файловой системой;
¨ обработку прерываний;
¨ управление работой аппаратных устройств компьютера;
¨ взаимодействие с ОС пользователей и программ (пользовательский интерфейс ОС);
¨ многозадачный режим;
¨ многопользовательский режим;
¨ разделение между программами ресурсов компьютера (оперативной памяти, времени процессора, внешней памяти, периферийных устройств и др.);
¨ корректность совместного владения данными несколькими программами или пользователями;
¨ безопасность функционирования компьютера: защита памяти, используемой одной программой или пользователем, от использования другой программой или пользователем.
Первые вычислительные машины были устроены таким образом, что на них могла работать одновременно только одна программа, которая всегда загружалась c начального адреса оперативной памяти. Например, одна из лучших ламповых машин БЭСМ-2 имела около 4 тыс. ячеек оперативной памяти для команд и чисел. С ростом оперативной памяти в нее стало возможным поместить одновременно несколько программ. Это позволило сэкономить время на ввод программ в оперативную память, так как стало возможно совместить его с работой процессора. Такая технология позволила в десятки раз повысить эффективность использования очень дорогого тогда времени компьютера. Однако параллельно возникла задача обеспечения взаимодействия программ, одновременно находящихся в оперативной памяти, и задача распределения участков оперативной памяти между программами. Эти функции, называемые управлением выполнением программ и управлением памятью, являются основными функциями операционной системы, без которых работа компьютера невозможна.
Скорость обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами во много раз меньше скорости работы процессора. Поэтому оптимальное использование ресурсов компьютера возможно только тогда, когда операции обмена информацией с внешними устройствами не приостанавливают работу процессора. С другой стороны, операции ввода-вывода многочисленны, но стандартны и мало отличаются от программы к программе. Например, ввод информации предполагает наличие многих типовых действий, кроме собственно ввода. В частности, необходимо:
¨ определить номер порта ввода-вывода, соответствующего устройству;
¨ проверить физическое наличие устройства;
¨ установить, включено или выключено требуемое устройство;
¨ проверить, установлен ли на этом устройстве носитель информации (например, магнитный диск);
¨ сверить код носителя информации;
¨ найти место требуемой информации на носителе;
¨ подготовить считывающее устройство для считывания требуемой информации (например, установить магнитную головку над дорожкой диска);
И только после этого начинается непосредственный обмен данными оперативной памяти с внешним устройством. При этом надо еще отслеживать возможные повреждения на поверхности диска или сбои при чтении информации с магнитной поверхности диска. Каждая ошибка на этапе ввода или вывода должна обрабатываться определенным образом.
Все подобные операции входят в состав подсистемы управления вводом-выводом. Если в некоторой пользовательской программе нужно задать операцию ввода или вывода данных на внешний носитель, то вместо прописывания всех необходимых для этого действий в программу вставляется обращение к соответствующей подпрограмме операционной системы. Конкретные детали действий передаются вызываемой подсистеме в качестве дополнительных параметров. Операционная система выполняет нужные действия, после чего осуществляется возврат к пользовательской программе.
Проблема структурной организации наборов данных, хранящихся на внешних носителях компьютера, возникла тогда, когда емкость внешних носителей настолько увеличилась, что нахождение наборов данных стало серьезной проблемой (как поиск нужной книги в библиотеке – это совершенно другая задача по сравнению с поиском книги в домашнем шкафу). Файловой системой называется способ организованного хранения наборов данных на внешнем носителе и одновременно конкретные наборы данных на конкретном носителе. Операционная система умеет распознавать и читать файловую систему внешнего устройства компьютера. Функция поддержки файловой системы в работоспособном состоянии называется управлением файловой системой.
В случае сбоев при выполнении программы или процедуры ввода-вывода операционная система берет на себя решение о дальнейших действиях. Для этого она прерывает выполнение текущей программы и пытается проанализировать произошедшую ошибку. В зависимости от характера ошибки работа пользовательской программы либо продолжается, либо аварийно заканчивается.
В современных компьютерах реакция на непредвиденные ситуации частично предусмотрена уже конструкцией компьютера. Процессор компьютера реагирует на сигналы прерывания, которые передаются по шине прерывания при ошибках при выполнении команд программы, при ошибках ввода-вывода и в других исключительных ситуациях. Номер прерывания передается вместе с сигналом прерывания. При получении сигнала прерывания операционная система, пользуясь номером прерывания, выбирает одну из стандартных реакций на ошибку. Эта функция операционной системы называется обработкой прерываний.
Дальнейшее развитие техники инициировало появление новых групп функций операционной системы. Появление клавиатуры для ручного ввода информации в компьютер привело к включению в состав операционной системы программ, осуществляющих обработку сигналов от клавиатуры и их предварительную расшифровку. С появлением мониторов для удобного представления промежуточных и окончательных результатов работы программ связано включение в операционную систему функций управления вывода на экран дисплея текстовой и графической информации.
Еще одной типовой функцией при работе на компьютере служит управление различными внешними устройствами (винчестерами, гибкими дисками, мониторами, клавиатурой и т.д.). Эти устройства выпускаются самыми различными фирмами. Одинаковые по назначению устройства могут иметь различные характеристики и управляться совершенно разным способом. Для управления внешним устройством марки определенной фирмы требуется своя специальная программа, которая называется драйвером устройства. Существуют драйверы принтеров, драйверы дисководов, драйверы мыши и т.д. Если компьютер комплектуется определенным набором внешних устройств каких-то марок, то одновременно его программное обеспечение должно включать соответствующие драйверы. Современные операционные системы включают большой набор разнообразных типовых драйверов. Более того, они умеют при включении компьютера автоматически определять тип используемого устройства и подключать к работе соответствующий драйвер (эта услуга называется Plug and Play). Естественно, это возможно только в случае, если устройство «умеет» отвечать на вопрос о своей марке (основные производители компьютерной техники эту услугу предусматривают).
Все современные операционные системы (например, UNIX или Windows NT) обеспечивают многозадачный (одновременное выполнение нескольких программ) и многопользовательский (одновременная работа нескольких пользователей) режимы работы компьютера. Многозадачный режим означает одновременную работу на компьютере нескольких программ. Конечно, если компьютер содержит один центральный процессор, он может выполнять только одну программу. Однако операционная система так организует работу компьютера, что создается иллюзия одновременной работы нескольких программ.
Многозадачный режим работы компьютера требует от операционной системы обеспечения следующих возможностей:
¨ параллельного (псевдопараллельного) выполнения нескольких программ;
¨ постановки заданий (то есть программ) в очередь на выполнение;
¨ разделение между программами ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам.
Многопользовательский режим работы вычислительной системы (в частности, одного компьютера) предполагает работу с данными нескольких пользователей. При многопользовательском режиме дополнительно должно выполняться:
¨ разделение ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам в соответствии с запросами и приоритетами пользователей;
¨ защиту данных одного пользователя от доступа со стороны других пользователей.
Режимом разделения времени называется такая организация многозадачной и многопользовательской работы программ на одном компьютере, при которой каждой программе в зависимости от приоритета выделяется квант времени, в течение которого работает только эта программа. При этом постоянно в оперативной памяти компьютера находится только небольшая часть программы, а основная ее часть загружается на время выполнения программы и выгружается (освобождается) после окончания выделенного программе кванта времени.
Часто используется такой вариант работы, когда на компьютере работает одна основная (как правило, интерактивная) программа, которая часто находится в режиме ожидания, и другая (вычислительная) программа, требующая большого количества времени процессора или внешних устройств. Когда первая программа ждет, вторая работает, когда первая программа начинает работать, вторая останавливается. В таком случае говорят, что вторая программа работает в фоновом режиме.
Все взаимодействие с операционной системой идет через запросы пользователя или прикладной программы к операционной системе и вывод результатов выполнения запроса в текстовой или графической форме. Способ, которым это взаимодействие организовано, называется пользовательским интерфейсом операционной системы. Например, в системе MS DOS запросы к ОС формулируются в форме текстовых команд, а ответы – в форме текстовых сообщений. В системе Windows управлять операционной системой можно путем манипулирования различными графическими компонентами изображения текущего состояния исполняемых программ в форме оконных бланков. Принято различать текстовой и графический пользовательский интерфейс.
Операционные системы очень сильно эволюционировали с момента своего возникновения. Вначале эксплуатировались несколько вариантов операционной системы на вычислительных машинах различных фирм. В силу ряда причин к середине 70-х годов в большинстве компьютеров использовалась система машинных команд и операционная система компании IBM, названная дисковой операционной системой (DOS). Эта же фирма была одним из пионеров в разработке персональных компьютеров. Те модели персональных компьютеров, которые позаимствовали архитектуру и систему команд фирмы IBM, стали называться IBM PC-совместимыми компьютерами. На основе операционной системы DOS для таких компьютеров были разработаны несколько операционных систем. В дальнейшем практически все PC-совместимые персональные компьютеры стали обслуживаться операционной системой компании MicroSoft, называемой MS DOS. С течением времени появлялись новые версии MS DOS, включающие все новые и новые услуги, однако в целом концепция операционной системы этой фирмы осталась неизменной.
Одновременно создавались другие операционные системы. Некоторые не имели широкого распространения, другие создавались как коммерческие продукты. Однако возможности их были примерно одинаковыми, поскольку они определялись требованиями современной им техники и технологии. Совершенствование операционных систем шло по нескольким направлениям. Во-первых, одним из главных недостатков прежних систем являлись неудобный для рядового пользователя-непрофессионала пользовательский интерфейс. Для управления ими пользователь должен был вводить с клавиатуры закодированные текстовые сообщения. Частично эта трудность для персонального компьютера была снята за счет использования замечательной программной надстройки над MS DOS – программы Norton Commander, которая позволяла моделировать основные запросы к операционной системе MS DOS, манипулируя клавишами и различного рода меню, показываемыми на экране. В более современных версиях операционных систем дружественный пользователю интерфейс стал непосредственной частью самой системы.
Наиболее удачно интерфейс взаимодействия с ОС был реализован в компьютерах системы Macintosh. Постепенно заложенные там идеи стали стандартом для всех программ, работающих в интерактивном режиме (то есть в режиме общения с пользователем в реальном времени). В итоге для PC-совместимых персональных компьютеров была сконструирована и приобрела всеобщее распространение операционная система Windows со своим многооконным интерфейсом.
Наиболее важным следствием использования операционных систем при работе компьютера явилось то, что, поскольку типовые операции прикладной программы выполняют утилиты ОС, то и программа может работать только с той операционной системой, на которую она ориентирована. Зато программы стала сравнительно независимы от компьютера, необходимо лишь, чтобы на нем работала нужная ОС. Этот факт сильно расширил круг производителей компьютеров, что не могло не оказать положительного воздействия на прогресс в этой области. Программисты стали ориентироваться не на модель компьютера, а на операционную систему. В частности, было создано огромное количество DOS-программ.
Второе направление развития операционных систем – включение непосредственно в состав операционной системы новых услуг. Основой системы Windows стала стандартизация общения программ с внешними устройствами компьютера и стандартизация взаимодействия программ друг с другом.
Система Windows в качестве составной части содержит специальную программу - Диспетчер Печати, который берет на себя все функции по выводу на принтер текстовой и графической информации. Любая программа, желающая вывести на печать некоторую информацию, просто передает ее в буфер Диспетчера Печати вместе с параметрами вывода (например, количеством копий). После этого программа может работать дальше, а выводом на принтер будет заниматься Диспетчер Печати. Частью проблемы печати является проблема шрифтов, которая касается также вывода текстовой информации на экран монитора. В Windows поддержка шрифтов для принтера и монитора является функцией системы. Для смены шрифта при печати информации от пользовательской программы требуется только указать название шрифта и некоторые его характеристики (размер и спецэффекты), остальное сделает Диспетчер Печати (то же при выводе на экран).
Современные операционные системы основаны на концепции виртуальной машины. Виртуальной машиной называется абстрактная машина с улучшенными характеристиками оперативной памяти (называемой виртуальной памятью) и неограниченным количеством внешних устройств, обеспечивающая абсолютную безопасность данных разных программ. Прикладные системы ориентированы на такую идеальную виртуальную машину, а в задачу операционной системы входит такая организация работы реального компьютера, при которой с точки зрения прикладной программы он выглядит как виртуальная машина. Реализация виртуальной машины с помощью средств операционной системы называется эмуляцией виртуальной машины.
Возникновение вычислительных сетей привело к появлению нового класса типовых задач. Для обеспечения сетевой связи между персональными компьютерами стали использоваться сетевые оболочки (например, система NetWare фирмы Novell). Сетевые оболочки, хотя их часто называют операционными системами, не являются полнофункциональными операционными системами, так как предполагают, что на каждом отдельном компьютере функционирует своя операционная система. Функции сетевой оболочки выполняются сетевыми модулями, которые функционируют на компьютерах сети. С точки зрения ОС отдельного компьютера эти сетевые модули являются прикладными программами. Сетевая оболочка берет на себя все функции обеспечения процесса передачи данных между компьютерами с помощью следующего приема: для пользователя одного компьютера данные на другом компьютере представляются как еще один внешний носитель информации (диск) данного компьютера. При попытке прочитать в оперативную память файл этого диска (данные или программу) операционная система обратится к сетевому модулю, а подпрограммы, входящие в Novell, обеспечат правильную передачу данных с одного компьютера на другой.
Очередным шагом в развитии операционных систем явилось включение в операционные системы сетевых функций. К таким сетевым операционным системам относятся, например, операционная система Windows NT и различные версии UNIX. Эти системы обеспечивают как работу отдельного компьютера, так и работу в сети. При этом на них возлагается множество дополнительных сетевых функций. Это действия, связанные с установлением связи между узлами сети и с передачей данных в сети. Однако частично изменяются и рассмотренные выше функции операционной системы. Прежде всего это относится к файловой системе. При использовании сетевых ОС файловое пространство сети единое, хотя разные диски физически располагаются на разных носителях разных компьютеров. Пользователь может совершать с файлами те же операции, которые он совершает с файлами отдельного компьютера, не заботясь о том, что фактически при этом происходит перемещение информации с одного компьютера на другой.
Сетевые ОС всегда являются многопользовательскими. При этом приходится следить за тем, кто запустил конкретную программу и кто пользуется открытым в системе файлом. Важной функцией сетевой операционной системы является обеспечение доступа пользователей к данным и программам. Эта функция имеет два аспекта: проверка уровня секретности данных и проверка привилегий пользователя. Сетевая система имеет механизм кодирования уровня доступа к данным и кодирования привилегий пользователя таким образом, что всегда можно определить, имеет ли данный пользователь доступ к данному диску, каталогу или отдельному файлу. Кроме того, используются различные системы паролей, которые обеспечивают доступ к данным только того пользователя, который является владельцем этих данных, или которому разрешено использовать эти данные полностью или ограниченным образом (например, только для чтения).
Часть самых существенных функций операционной системы более подробно будет рассмотрена в следующих параграфах.
≫ Что такое операционная система? Функции, история, виды
Опубликовано: 26 октября 2016 г.Операционная система (Operating System) - комплекс программ, обеспечивающий выполнение других программ, распределение ресурсов, планирование, ввод/вывод и управление данными.
Функции операционной системы
Операционная система выполняет большое число функций, к которым, в первую очередь, следует отнести:
- Интерфейс между пользователем и системой;
- Запуск программ на выполнение;
- Управление аппаратными ресурсами компьютера, такими как монитор, процессор, память, внешние устройства;
- Программную поддержку работы периферийных устройств (монитора, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.);
- Обеспечение безопасности данных;
- Диагностику неисправностей системы;
- Обработку ошибок.
Немного истории
Одной из первых операционных систем, разработанных для персонального компьютера, была операционная система MS DOS . Лишенная графического интерфейса, обладающая очень ограниченными возможностями, она практически завершила свое существование с появлением Windows .
Сначала графическая оболочка Windows 3.1 для MS DOS, а затем полноценные операционные системы - MS Windows 95, Windows NT 4.0, Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10 стали наиболее часто используемыми операционными системами для персональных компьютеров.
Почти одновременно с Windows появилась и начала завоевывать популярность операционная система Linux , перенявшая от операционной системы UNIX идеологию командной строки. С течением времени Linux развил графический интерфейс, не только не уступающий, но во многом превосходящий возможности графического интерфейса операционной системы Windows.
Сейчас все большее число пользователей отдают предпочтение бесплатной, динамично развивающейся операционной системе Linux, отказываясь от операционной системы Windows.
В 1987 году появилась совместно разработанная фирмами Microsoft и IBM операционная система OS/2 , или, как ее называют, «полуось». С 1990 года фирма Microsoft отошла от разработки OS/2, и в настоящий момент только IBM продолжает поддерживать OS/2.
Существуют и другие операционные системы, ориентированные на работу на IBM-совместных персональных компьютерах. В персональных компьютерах Macintosh применяется операционная система MacOS .
Виды операционных систем
Операционные системы бывают:
- Бесплатные и платные. Большая часть операционных систем - платные, например, MS Windows. Однако существуют и бесплатно распространяемые операционные системы, например Linux. Вы можете бесплатно получить Linux у того, кто уже обладает этой операционной системой, или скачать Linux из Интернета.
- С текстовым интерфейсом , например MS DOS, и с графическим интерфейсом , например Windows и Linux.
- Однозадачные и многозадачные. Однозадачные операционные системы, например MS DOS, могут работать только с одной программой. Многозадачные операционные системы, например Windows ХР, OS/2, UNIX, способны одновременно выполнять несколько программ на одном компьютере.
- Однопользовательские и многопользовательские
, отличающиеся по числу одновременно работающих пользователей. Многопользовательские операционные системы позволяют нескольким пользователям одновременно работать на одном и том же компьютере.
Главное отличие многопользовательских систем от однопользовательских состоит в наличии у каждого пользователя средств защиты информации от несанкционированного доступа других пользователей, работающих на этом компьютере. Чтобы начать работать, человек должен пройти регистрацию в системе: ввести свое учетное имя (account name) и пароль (password).
Подробнее об операционных системах можно прочитать на официальных сайтах фирм производителей.
Билет 1
Понятие ОС. Основные функции ОС.
Причины развития ОС.
1)Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.
· Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
· Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
· Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
· Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
· Обеспечение пользовательского интерфейса.
· Сохранение информации об ошибках системы.
· Дополнительные функции:
· Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
· Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
· Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
· Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
· Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
· Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
· Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа
2) Главные цели разработчиков операционной системы:
· Эффективное использование всех компьютерных ресурсов.
· Повышение производительности труда программистов.
· Простота, гибкость, эффективность и надежность организации вычислительного процесса.
· Обеспечение независимости прикладных программ от аппаратного обеспечения (АО).
Билет2
Системное ПО. Состав системного ПО.
Билет 3
Система управления файлами.
Классификация ОС.
Система управления файлами (СУФ) – организация более удобного доступа к файлам, расположенным на внешних носителях, организованных как файл. Любая СУФ не может работать сама по себе, а предназначена для конкретной ОС
Классификация:
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.
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.
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.
Билет 4
Интерфейсные оболочки. Операционная среда. Эмулятор.
Билет 5
Билет 6
Билет 7
Сервисы, предоставляемые ОС.
Что такое контекст задачи?
1) разработка программ . Операционная система предоставляет программисту разнообразные инструменты и сервисы, например, редакторы и отладчики. Эти сервисы, реализованные в виде программных утилит, которые поддерживают операционные системы, хотя и не входят в его ядро, такие программы называют инструментами разработки приложений ;
2) исполнение программ. Для запуска программы требуется выполнить ряд действий. Следует загрузить в основную память команды и данные, инициализировать устройства. Операционная система выполняет рутинную работу;
3) доступ к устройствам ввода/вывода . Для управления работой каждым устройством ввода/вывода нужен свой набор команд или контролируемый сигнал. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который вскрывает все эти детали и обеспечивает программисту доступ к устройствам ввода/вывода с помощью простых команд чтения и записи;
4) контролируем доступ к файлам . При работе с файлами, управление его стороны операционной системы предназначено не только понимание природы устройств ввода/вывода и знание структур данных записанные в файлах. Многопользовательские операционные системы, кроме того, обеспечивают работу механизмов защиты при обращении к файлам;
5) системы доступа . Операционная система управляет доступом к общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она должна обеспечить защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, также разрешать конфликтные ситуации;
6)обнаружение ошибок и их обработка . При работе компьютерной системы происходят различные сбои, к их числу относятся внутренние и внешние ошибки, возникшие в аппаратном обеспечении, например, ошибки памяти, отказ или сбой устройств, возможны и программные ошибки: арифметическое переполнение, попытка обратиться к ячейке памяти, доступ к которым запущен и невозможность выполнения запроса приложения. В каждом из этих случаев операционная система должна выполнить действие, минимизирующее влияние ошибки на работу приложения. Реакция операционной системы на ошибку может быть различной: от простого сообщения об ошибке, до аварийной остановки программы;
7) учёт использования ресурсов . Хорошая операционная система должна иметь средства учёта использования различных ресурсов и отображение параметров производителя. Эта информация крайне важна для дальнейшего улучшения и настройки система, для повышения производительности.
Контекст задачи состоит из файлов, результатов поиска и другой связанной информации, на которую приходится ссылаться при работе над задачей.
Билет 8
Вычислительный ресурс.
?Системные и прикладные программные модули.
1)Вычислительными ресурсами называются возможности, обеспечиваемые компонентами вычислительной системы, расходуемые (занимаемые) в процессе её работы.
Типы вычислительных ресурсов :
1.Процессорное время
2.Память (оперативная и виртуальная)
3.Место на жёстком диске (постоянная память)
4.Пропускная способность сети.
Программный модуль - согласно ГОСТ 19781-90 - программа или функционально завершенный фрагмент программы, предназначенный для:
1)хранения;
2) трансляции;
3) объединения с другими программными модулями;
4) загрузки в оперативную память.
Различают:
- стандартные модули, входящие в язык программирования; и
- пользовательские модули, предназначенные для упрощения работы программистов.
Билет 9
Билет 10
Билет 11
Граф состояний процесса.
Регистры процессора .
Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность . Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение . В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Покинуть это состояние процесс может по трем причинам:
1)либо он заканчивает свою деятельность;
2)либо он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание ;
3)либо в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении дозволенного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность .
2) В процессоре имеется набор регистров, которые представляют собой область памяти быстрого доступа, намного меньшей емкости, чем основная память.
Регистры в процессоре выполняют 2 ф-ии:
Адресные регистры.
Может быть записана только часть адреса, которая исполняется при вычислении полного или эффективного адреса.
А) индексные регистры используются в обычном режиме адресации, когда адрес получается в рез-те сложения содержимого индексного и базового регистров.
Б) сегментный регистр – при сегментной адресации память разделяется на блоки (сегменты), состоящие из различного кол-ва машинных слов. Адрес ячейки памяти складывается из адреса сегмента и смещения относительно начала сегмента, при этом режиме адресации базовый адрес сегмента хранится в одном из регистров. Таких регистров может быть несколько- один для ОС(когда выполняется код ОС), а другие для исполняющихся приложений(прикладных программ).
3. регистры стека. При стековой адресации выделяется специальный регистр, в котором размещен указатель на вершину стека.
Управляющие регистры. Регистры состояния.
Некоторые регистры доступны для команд исполняемых в режиме управления (режим ОС или режим супервизора).
Программный счетчик содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.
Регистр команд содержит последнюю выбранную из памяти команду. Вт состав всех процессоров входит набор регистров-слова состояния программы. В нем содержится коды условий и др. информация о состоянии выполняемой программы. В управляющих регистрах также содержится биты отдельные, известные как флаги или коды устройства. Эти биты устанавливаются или сбрасываются процессором в зависимости от результата выполняемой операции.
Существуют машинные команды, позволяющие прочитать содержимое всех битов с помощью явных обращений к регистру. Однако изменять содержимое таких регистров нельзя.
Билет 12
Дескриптор процесса.
Билет 13
Дескриптор ОС РВ.
Билет 14
Процессы и потоки.
Билет 15
ОС как диспетчер ресурсов.
1)
2) Компьютер представляет собой набор ресурсов, поддерживающих выполнение задач, накопление, хранение, перемещение и обработки данных, также контролирует работу этих и других функций. Именно операционная система управляет ресурсами компьютера и контролирует его основные функции. Однако это управление имеет следующие особенности: 1) функции операционной системе работают так же, как и всё остальное программное обеспечение, т.е. они реализуются в виде отдельных программ или набора программ, исполняющихся процессов; 2) операционная система должна передавать управление другими процессами и ожидать, когда процессор снова позволит ей выполнить свои обязанности. Операционная система – это, по сущности, набор компьютерных программ, как и любая другая программа, она отдаёт процессору команды. Ключевым отличием является назначение этой программы. Операционная система //способна//: как использовать другие системные ресурсы, и как распределять время при использовании других программ, но для этого процессор должен приостановить работу с ней и перейти к выполнению других программ. Таким образом, операционная система уступает управление процессору, чтобы он смог выполнить некоторую полезную работу, а затем возобновляет контроль ровно на столько, чтобы подготовить процессор к следующей части работы. Часть операционной системы находится в оперативной памяти (основная, базовая). В эту часть входят ядро (Kernel ), содержащее основную часть наиболее часто используемых функций, там же находятся и некоторые другие компоненты операционной системы, использующиеся в данный момент времени. Остальная часть содержит другие программы и данные пользователя. Размещение этих данных в оперативной памяти управляется совместно операционной системой и аппаратной частью процессора, предназначенной для управления памятью. Операционная система принимает решение, когда исполняющая программа может испортить нужные ей устройства ввода/вывода и управляет доступом к файлам Процессор также является ресурсом, которому операционная система должна определить, сколько времени он должен уделить исполнению той или иной пользовательской программы. Многопроцессорные системы: решение должно быть принято по каждому процессу.
Билет 16
Билет 17
Билет 18
Взаимоблокировка процессов.
1)
Многоуровневая архитектура появилась как ответ на ограничения монолитной архитектуры в плане расширяемости, переносимости и совместимости. Основная идея многоуровневой архитектуры состоит в следующем:
1. Полная функциональность операционной системы разделяется на уровни, например уровень управления аппаратурой, уровень управления памятью, уровень файловой системы, уровень управления процессами и т.п.
2. Для каждого уровня определяются интерфейс взаимодействия, т.е. некоторый набор правил, согласно которым следует обращаться за услугами данного уровня.
3. Взаимодействие уровней строится таким образом, что каждый уровень может обращаться за услугами только к соседнему нижележащему уровню через его интерфейс.
4. Внутренние структуры данных каждого уровня не доступны другим уровням, а реализации процедур уровня скрыты и не зависят от реализаций процедур внутри других уровней.
Многоуровневая архитектура предполагает взаимодействие между уровнями исключительно через их интерфейсы, при этом внутренняя реализация уровней скрыта от других уровней. Это позволяет в случае необходимости изменять внутренние реализации процедур уровня на более эффективные. Можно даже полностью заменить весь уровень, требуется только обеспечить стандартный интерфейс взаимодействия с другими уровнями.
2) Взаимоблокировка процессов может происходить, когда несколько процессов борются за один ресурс.
Ресурсы бывают выгружаемые и невыгружаемые, аппаратные и программные.
Выгружаемый ресурс - этот ресурс безболезненно можно забрать у процесса (например: память).
Невыгружаемый ресурс - этот ресурс нельзя забрать у процесса без потери данных (например: принтер).
Проблема взаимоблокировок процессов возникает при борьбе за невыгружаемый ресурсы.
Условия необходимые для взаимоблокировки:
Условие взаимного исключения - в какой-то момент времени, ресурс занят только одним процессом или свободен.
Условие удержания и ожидания - процесс, удерживающий ресурс может запрашивать новые ресурсы.
Условие отсутствия принудительной выгрузки ресурса.
Условие циклического ожидания - должна существовать круговая последовательность из процессов, каждый, из которого ждет доступа к ресурсу, удерживаемому следующим членом последовательности.
Билет 19
Структура ОС: экзоядро.
Сформулируйте требования к созданию потоков в прикладной программе.
1) Экзоядро - ядро операционной системы компьютеров, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов. Экзо - приставка, обозначающая нечто внешнее, находящееся снаружи. В традиционных операционных системах ядро предоставляет не только минимальный набор сервисов, обеспечивающих выполнение программ, но и большое количество высокоуровневых абстракций для использования разнородных ресурсов компьютера:оперативной памяти, жестких дисков, сетевых подключений. В отличие от них, ОС на основе экзоядра предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. Экзоядро не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов - эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). Основная идея операционной системы на основе экзоядра состоит в том, что ядро должно выполнять лишь функции координатора для небольших процессов, связанных только одним ограничением - экзоядро должно иметь возможность гарантировать безопасное выделение и освобождение ресурсов оборудования. В отличие от ОС на основе микроядра, ОС, базирующиеся на экзоядре, обеспечивают гораздо большую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.
Билет 20
Многопоточный Web-сервер
Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты.
Веб-сервер - это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, обычно вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными. Веб-серверы - основа Всемирной паутины.
Клиент, которым обычно является веб-браузер, передаёт веб-серверу запросы на получение ресурсов, обозначенных URL-адресами. Ресурсы - это HTML-страницы, изображения, файлы, медиа-потоки или другие данные, которые необходимы клиенту. В ответ веб-сервер передаёт клиенту запрошенные данные. Этот обмен происходит по протоколу HTTP.
Билет 21
Прерывание и цикл команд
1) Систе́ма виртуа́льных маши́н (СВМ) - операционная система для ЕС ЭВМ, аналог системы VM фирмы IBM.
Основные особенности СВМ.
СВМ (VM, и её ранняя версия CP/CMS) - первая система, в которой была реализована технология виртуальных машин. Виртуализация в СВМ была последовательной и полной, в частности, на виртуальной машине можно было запустить другую копию системы СВМ, и так далее. Более того, запуск СВМ на виртуальной машине СВМ был рекомендованным методом генерации новой версии системы для установки. В частности, это означало, что любое реальное устройство ЭВМ могло быть тем или иным методом представлено в виде виртуального устройства на виртуальной машине. До сих пор ни одна другая реализация виртуальных машин не обладает таким свойством.
2) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:
Цикл команд.
Процессор выбирает команду и запускает ее. При этом исполнение программы сводится к выборке и ее исполнению. Для выполнения одной команды может потребоваться несколько операций. Их число определяется природой команд.
Билет 22
Программные модули
Модели потока
1) Программный модуль является самостоятельным программным продуктом. Это означает, что каждый программный модуль разрабатывается, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программных систем при условии выполнения требований, предъявляемых к его использованию в документации к этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство упрощения сложных программ, и как средство накопления и многократного использования программистских знаний.
Модуль характеризуют:
Один вход и один выход. На входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет их обработку и возвращает один набор выходных данных;
Функциональная завершенность. Модуль выполняет набор определенных операций для реализации каждой отдельной функции, достаточных для завершения начатой обработки данных;
Логическая независимость. Результат работы данного фрагмента программы не зависит от работы других модулей;
Слабые информационные связи с другими программными модулями. Обмен информацией между отдельными модулями должен быть минимален;
Размер и сложность программного элемента в разумных рамках.
Таким образом, модули содержат описание исходных данных, операции обработки данных и структуры взаимосвязи с другими модулями.
2) В компьютерных науках пото́к выполне́ния (англ. Thread - нить) является наименьшей единицей обработки, исполнение которой может быть назначено операционной системой. Реализация потоков выполнения и процессов в разных операционных системах отличается друг от друга, но в большинстве случаев поток выполнения находится внутри процесса. Несколько потоков выполнения могут существовать в рамках одного и того же процесса и совместно использовать ресурсы, такие как память, тогда как процессы не разделяют этих ресурсов. В частности, потоки выполнения разделяют инструкции процесса (его код) и его контекст (значения переменных, которые они имеют в любой момент времени). В качестве аналогии потоки выполнения процесса можно уподобить нескольким вместе работающим поварам. Все они готовят одно блюдо, читают одну и ту же кулинарную книгу с одним и тем же рецептом и следуют его указаниям, причём не обязательно все они читают на одной и той же странице.
Билет 23
Классификация ресурсов
1) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:
Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. Предположим, что процессор передает данные на принтер по схеме, показанной рис. 1.2. После каждой операции процессор вынужден делать паузу и ждать, пока принтер не примет данные. Длительность этой паузы может быть в сотни и даже тысячи раз больше длительности цикла команды, в которой участвуют обращения к памяти. Ясно, что подобное использование процессора является неэффективным. Такое положение дел проиллюстрировано на рис. 1.5,а. Программа пользователя содержит ряд вызовов процедуры записи WRITE, в промежутках между которыми расположены другие команды. В отрезках 1, 2 и 3 находятся последовательности команд кода, в которых не используется ввод-вывод. При вызове процедуры WRITE управление передается системной утилите ввода-вывода, которая выполняет соответствующие операции. Программа ввода-вывода состоит из трех частей. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 4, которые служат для подготовки к собственно операциям ввода-вывода. В эту последовательность могут входить копирование выводимых данных в специальный буфер и подготовка набора параметров, необходимых для управления устройством. Собственно команды ввода-вывода. Если программа не использует прерываний, ей следует ждать, пока устройство ввода-вывода не выполнит требуемые операции (или периодически проверять его состояние путем опроса). При этом программе не остается ничего другого, как просто ждать, постоянно проверяя, завершилась ли операция ввода-вывода. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 5, которые служат для завершения операции. Эта последовательность может содержать в себе установку флагов, свидетельствующих об успешном или неудачном завершении операции.
Из-за того что для выполнения операции ввода-вывода может потребоваться сравнительно длительный промежуток времени, программа замедляет работу, ожидая завершения операции. Таким образом, там, где встречается вызов WRITE, производительность программы существенно уменьшается.
2)
Термин «ресурс» обычно применяется по отношению к неоднократно используемым, относительно стабильным и «дефицитным» объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом
является любой объект, который может распределяться внутри системы. Ресурсы могут быть разделяемыми
, когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно(в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми.
Билет 24
Обработка прерываний
Супервизор ОС
Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) - специальная процедура, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание.
Обработчик прерываний - это низкоуровневый эквивалент обработчика событий. Эти обработчики вызываются либо по аппаратному прерыванию, либо соответствующей инструкцией в программе, и соответственно обычно предназначены для взаимодействия с устройствами или для осуществления вызова функций операционной системы.
На современных ПК обработчики основных аппаратных и программных прерываний находятся в памяти BIOS. Современная операционная система, во время своей загрузки, заменяет эти обработчики своими. При загрузке драйверов устройств, операционная система распределяет управление обработкой прерывания между ними. В операционных системах семейства Windows программные прерывания используются для вызовов многих API функций. В ассемблере X86 прерывание вызывается командой int.
2) Управление вводом-выводом осуществляется компонентом операционной системы, который часто называют супервизором ввода-вывода. Перечислим основные задачи, возлагаемые на супервизор.
1) Модуль супервизора операционной системы, иногда называемый супервизором задач, получает запросы от прикладных задач на выполнение тех или иных операций, в том числе на ввод-вывод. Эти запросы проверяются на корректность и, если они соответствуют спецификациям и не содержат ошибок, то обрабатываются дальше. В противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.
2) Супервизор ввода-вывода получает запросы на ввод-вывод от супервизора задач или от программных модулей самой операционной системы.
3) Супервизор ввода-вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод-вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода-вывода задачам, затребовавшим эти устройства). Запрос на ввод-вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение.
4) Супервизор ввода-вывода инициирует операции ввода-вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом-выводом с использованием прерываний предоставляет процессор диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение.
5) При получении сигналов прерываний от устройств ввода-вывода супервизор идентифицирует эти сигналы (см. раздел «Прерывания» в главе 1) и передает управление соответствующим программам обработки прерываний.
6) Супервизор ввода-вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода-вывода.
7) Супервизор ввода-вывода посылает сообщения о завершении операции ввода-вывода запросившей эту операцию задаче и снимает ее с состояния ожидания ввода-вывода, если задача ожидала завершения операции.
Билет 25
Множественные прерывания.
Многопоточный Web-сервер.
1) билет 20
2)Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. несколько прерываний . Например, программа получает данные по коммуникационной линии и сразу же распечатывает результат. Принтер будет генерировать прерывание при каждом завершении операции печати, а контроллер коммуникационной линии - при каждом поступлении новой порции данных. Эта порция может состоять из одного символа или из целого блока, в зависимости от установленного порядка обслуживания. В любом случае возможна ситуаци
Особое место среди программных средств всех типов занимают операционные системы, являясь ядром программного обеспечения.
Операционная система - это комплекс программ, обеспечивающих:
- * управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера;
- * управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными;
- * пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд - операций по обработке информации.
Такое определение операционной системы уже апеллирует к ее функциям, поэтому рассмотрим эти функции подробнее.
Операционные системы - наиболее машинно-зависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами или, как еще говорят, обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера.
В той мере, в какой это необходимо для понимания функций операционных систем, аппаратную часть компьютера можно представлять себе состоящей из следующих элементов:
- * центрального процессора, имеющего определенную архитектуру (структуру регистров, набор и форму представления команд, формат обрабатываемых данных и т.д.) и характеризующегося производительностью, т.е. количеством простейших операций, выполняемых в единицу времени, а также другими качествами;
- * оперативной памяти, характеризующейся емкостью (объемом) и скоростью обмена данными (прежде всего с центральным процессором);
- * периферийных устройств, среди которых имеются;
- * устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер и др.);
- * устройства вывода (дисплей, принтер, графопостроитель и др.);
- * внешние запоминающие устройства (дисководы для магнитных и оптических дисков, устройства для работы с лентами и др.);
- * мультимедийные устройства.
Все эти аппаратные устройства обобщенно называют ресурсами компьютера.
В сравнении с оперативной памятью внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченной емкостью. Так, емкость встроенного накопителя персональных компьютеров - винчестера - обычно в 50-100 раз больше объема оперативной памяти. Для других устройств - накопителей на гибких магнитных дисках и оптических дисках - используются сменные носители информации, однако время доступа к информации на внешних запоминающих устройствах значительно больше, чем к информации в оперативной памяти (в тысячи раз). Медленнее, чем центральный процессор, работают и устройства ввода - вывода.
За время существования компьютеров операционные системы претерпели значительную эволюцию. Так, первые операционные системы были однопользовательскими и однозадачными. Эффективность использования ресурсов компьютера в этом случае оказывалось невысокой из-за простоев всех, кроме одного работающего периферийного устройств компьютера. Например, при вводе данных простаивал центральный процессор, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.
По мере роста возможностей, производительности и изменениях в соотношении стоимости устройств компьютера положение стало нетерпимым, что привело к появлению многозадачных операционных систем, остававшихся однопользовательскими.
Такие операционные системы обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, параллельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполняющимися заданиями. Так, например, одно задание может выполнять ввод данных, другое - выполняться центральным процессором, третье - выводить данные, четвертое - стоять в очереди. Важнейшее техническое решение, обусловившее такие возможности, - появление у внешних устройств собственных процессоров (контроллеров).
При многозадачном режиме:
- * в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей;
- * время работы процессора разделяется между программами, находящимися в оперативной памяти и готовыми к обслуживанию процессором;
- * параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различными внешними устройствами.
Наиболее совершенны и сложны многопользовательские многозадачные операционные системы, которые предусматривают одновременное выполнение многих заданий многих пользователей, обеспечивают разделение ресурсов компьютера в соответствии с приоритетами пользователей и защиту данных каждого пользователя от несанкционированного доступа. В этом случае операционная система работает в режиме разделения времени, т.е. обслуживает многих пользователей, работающих каждый со своего терминала.
Суть режима разделения времени состоит в следующем. Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к исполнению, выделяется для исполнения фиксированный, задаваемый в соответствии с приоритетом пользователя интервал времени (интервал мультиплексирования). Если программа не выполнена до конца за этот интервал, ее исполнение принудительно прерывается, и программа переводится в конец очереди. Из начала очереди извлекается следующая программа, которая исполняется в течение соответствующего интервала мультиплексирования, затем поступает в конец очереди и т.д. в соответствии с циклическим алгоритмом. Если интервал мультиплексирования достаточно мал (~200 мс), а средняя длина очереди готовых к исполнению программ невелика (~10), то очередной квант времени выделяется программе каждые 2 с. В этих условиях ни один из пользователей практически не ощущает задержек, так как они сравнимы со временем реакции человека.
Одной из разновидностей режима разделения времени является фоновый режим, когда программа с более низким приоритетом работает на фоне программы с более высоким приоритетом. Работа в фоновом режиме реального времени аналогична работе секретаря руководителя. Секретарь занимается текущими делами до тех пор, пока начальник не дал срочное поручение. операционная компьютер процессор файл
Помимо рассмотренных режимов организации вычислительного процесса, все большее распространение получает схема, при которой ЭВМ управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и информацию, непосредственно поступающую от объекта управления. Поскольку определяющим фактором являются реально поступающие от объекта управления данные, такой режим называют режимом реального времени, а его организация возлагается на специализированную операционную систему.
Остановимся на некоторых понятиях, важных для понимания принципов функционирования всех операционных систем (ОС).
Понятие процесса играет ключевую роль и вводится применительно к каждой программе отдельного пользователя. Управление процессами (как целым, так и каждым в отдельности) - важнейшая функция ОС. При исполнении программ на центральном процессоре следует различать следующие характерные состояния (рис. 1):
- * порождение - подготовку условий для исполнения процессором;
- * активное состояние (или "Счет") - непосредственное исполнение процессором;
- * ожидание - по причине занятости какого-либо требуемого ресурса;
- * готовность - программа не исполняется, но все необходимые для исполнения программы ресурсы, кроме центрального процессора, предоставлены;
- * окончание - нормальное или аварийное завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.
Рис. 1.
Понятие "ресурс" применительно к вычислительной технике следует понимать как функциональный элемент вычислительной системы, который может быть выделен процессу на определенный промежуток времени. Наряду с физическими ресурсами - реальными устройствами ЭВМ - средствами современных операционных систем могут создаваться и использоваться виртуальные (воображаемые) ресурсы, являющиеся моделями физических. По значимости виртуальные ресурсы - одна из важнейших концепций построения современных ОС. Виртуальный ресурс представляет собой модель некоего физического ресурса, создаваемую с помощью другого физического ресурса. Например, характерным представителем виртуального ресурса является оперативная память. Компьютеры, как правило, располагают ограниченной по объему оперативной памятью (физической). Функционально ее объем может быть увеличен путем частичной записи содержимого оперативной памяти на магнитный диск. Если этот процесс организован так, что пользователь воспринимает всю расширенную память как оперативную, то такая "оперативная" память называется виртуальной.
Наиболее законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины, являющееся исходным при программировании на языках высокого уровня, например, Паскале. Виртуальная машина есть идеализированная модель реальной машины, изолирующая пользователя от аппаратных особенностей конкретной ЭВМ, воспроизводящая архитектуру реальной машины, но обладающую улучшенными характеристиками:
- * бесконечной по объему памятью с произвольно выбираемыми способами доступа к ее данным;
- * одним (или несколькими) процессами, описываемыми на удобном для пользователя языке программирования;
- * произвольным числом внешних устройств произвольной емкости и доступа.
Концепция прерываний выполнения программ является базовой при построении любой операционной системы. Из всего многообразия причин прерываний необходимо выделить два вида: первого и второго рода. Системные причины прерываний первого рода возникают в том случае, когда у процесса, находящегося в активном состоянии, возникает потребность либо получить некоторый ресурс или отказаться от него, либо выполнить над ресурсом какие-либо действия. К этой группе относят и, так называемые, внутренние прерывания, связанные с работой процессора (например, арифметическое переполнение или исчезновение порядка в операциях с плавающей запятой). Системные причины прерывания второго рода обусловлены необходимостью проведения синхронизации между параллельными процессами.
При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:
- * восприятие запроса на прерывание;
- * запоминание состояния прерванного процесса, определяемое значением счетчика команд и других регистров процессора;
- * передача управления прерывающей программе, для чего в счетчик команд заносится адрес, соответствующий данному типу прерывания;
- * обработка прерывания;
- * восстановление прерванного процесса.
В большинстве ЭВМ первые три этапа реализуются аппаратными средствами, а остальные - блоком программ обработки прерываний операционной системы. В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ. Такие программы называют резидентными. К резидентным относят также и программы-драйверы, управляющие работой периферийных устройств.
Важной частью ОС является командный процессор - программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС. Кроме того, к операционной системе следует относить богатый набор утилит - обычно небольших программ, обслуживающих различные устройства компьютера (например, утилита форматирования магнитных дисков, утилита восстановления необдуманно удаленных файлов и т.д.).
Основные функции:
- · Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
- · Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
- · Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
- · Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
- · Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
- · Обеспечение пользовательского интерфейса.
- · Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.
Дополнительные функции:
- · Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
- · Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
- · Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
- · Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
- · Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
- · Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
- · Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация).
3.2. Основные функции и виды операционных систем
Для решения любой задачи на компьютере необходимы, по крайней мере, два вида ресурсов: оперативная память для хранения программы и данных и процессор для исполнения команд. Указанные ресурсы могут быть предоставлены задаче самим пользователем, если он вручную разместит в основной памяти программу и данные и введет в машину информацию для запуска процессора. Однако такой способ не приемлем для больших программ, т.к. является очень трудоемким и медленным. Дело в том, что элементарные операции при работе с устройствами компьютера и по управлению его ресурсами - это операции очень низкого уровня, состоящие из нескольких сотен и тысяч элементарных команд.
Операционная система освобождает пользователя от долгой и кропотливой работы, связанной с распределением ресурсов компьютера, управлением устройствами, организацией выполнения программ, выполняя эти действия автоматически.
Основными функциями ОС являются следующие:
запуск программ и контроль за их прохождением;
управление оперативной памятью;
управление устройствами ввода и вывода;
управление внешней памятью;
управление взаимодействием одновременно работающих задач;
обработка вводимых команд для обеспечения взаимодействия с пользователем.
Операционная система обычно состоит из управляющей части и набора системных программ (обслуживающая часть).
Управляющая часть содержится в нескольких файлах. Ее функциями являются: распределение вычислительных ресурсов, запуск и контроль выполнения программ, управление стандартными внешними устройствами, управление файлами. Для обеспечения работы с дополнительными внешними устройствами в состав управляющей части операционной системы входят драйверы . Это очень небольшие программы, которые позволяют работать с конкретными внешними устройствами. Наличие драйверов позволяет подключать к компьютеру различные типы внешних устройств, причем для этого не нужно коренным образом перестраивать вычислительную среду, а достаточно включить в состав ОС определенный драйвер.
В набор системных программ входят программы, также поставляемые в виде отдельных файлов. Они выполняют действия обслуживающего характера, расширяющие возможности ядра операционной системы, предоставляющие дополнительные возможности и удобства пользователю.
Для нормальной работы компьютера определенная часть операционной системы, называемая резидентной , должна постоянно находиться в основной памяти, сокращая, таким образом, объем памяти, доступный для прикладных программ. Другие части системы автоматически загружаются в память из внешних устройств по мере необходимости. После выполнения требуемых действий занимаемые ими области памяти освобождаются.
Существующие операционные системы принято классифицировать следующим образом. По числу одновременно обслуживаемых рабочих мест ОС разделяются на однопользовательские и сетевые .
По количеству одновременно выполняемых программ выделяют однозадачные и многозадачные ОС. В однозадачном режиме все ресурсы компьютера предоставляются только одной программе, которая выполняет обработку данных. При работе в многозадачном (мультипрограммном) режиме несколько не зависимых друг от друга программ выполняют обработку данных одновременно, т.е. параллельно. При этом программы делят ресурсы компьютера между собой.
