Классификация и характеристика операционных систем. Операционные системы

Все многообразие существующих (и ныне не использующихся) ОС можно классифицировать по множеству различных признаков. Остановимся на основных классификационных признаках.

По назначению ОС делятся на универсальные и специализированные. Специализированные ОС, как правило, работают с фиксированным набором программ (функциональных задач). Применение таких систем обусловлено невозможностью использования универсальной ОС по соображениям эффективности, надежности, защищенности и т.п., а также вследствие специфики решаемых задач .

Универсальные ОС рассчитаны на решение любых задач пользователей, но, как правило, форма эксплуатации вычислительной системы может предъявлять особые требования к ОС, т.е. к элементам ее специализации.

По способу загрузки можно выделить загружаемые ОС (большинство) и системы, постоянно находящиеся в памяти вычислительной системы. Последние, как правило, специализированные и используются для управления работой специализированных устройств (например, в БЦВМ баллистической ракеты или спутника, научных приборах, автоматических устройствах различного назначения и др.).

По особенностям алгоритмов управления ресурсами. Главным ресурсом системы является процессор, поэтому дадим классификацию по алгоритмам управления процессором, хотя можно, конечно, классифицировать ОС по алгоритмам управления памятью, устройствами ввода-вывода и.т.д.

Поддержка многозадачности (многопрограммности). По числу одновременно выполняемых задач ОС делятся на 2 класса: однопрограммные (однозадачные) – например, MS-DOS, MSX, и многопрограммные (многозадачные) – например, ОС ЕС ЭВМ, OS/360, OS/2, UNIX, Windows разных версий.

Однопрограммные ОС предоставляют пользователю виртуальную машину, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они также имеют средства управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС, кроме того, управляют разделением совместно используемых ресурсов (процессор, память, файлы и т.д.), это позволяет значительно повысить эффективность вычислительной системы.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся: на однопользовательские (MS-DOS, Windows 3х, ранние версии OS/2) и многопользовательские (UNIX, Windows NT/2000/2003/XP/Vista).

Главное отличие многопользовательских систем от однопользовательских – наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что может быть однопользовательская мультипрограммная система.

Виды многопрограммной работы. Специфику ОС во многом определяет способ распределения времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или потоками). По этому признаку можно выделить 2 группы алгоритмов: не вытесняющая многопрограммность (Windows3.x, NetWare) и вытесняющая многопрограммность (Windows 2000/2003/XP, OS/2, Unix).

В первом случае активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдает управление операционной системе. Во втором случае решение о переключении процессов принимает операционная система. Возможен и такой режим многопрограммности, когда ОС разделяет процессорное время между отдельными ветвями (потоками, волокнами) одного процесса.

Многопроцессорная обработка. Важное свойство ОС – отсутствие или наличие средств поддержки многопроцессорной обработки. По этому признаку можно выделить ОС без поддержки мультипроцессирования (Windows 3.x, Windows 95) и с поддержкой мультипроцессирования (Solaris, OS/2, UNIX, Windows NT/2000/2003/XP).

Многопроцессорные ОС классифицируются по способу организации вычислительного процесса на асимметричные ОС (выполняются на одном процессоре, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам) и симметричные ОС (децентрализованная система).

По области использования и форме эксплуатации. Обычно здесь выделяют три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

системы пакетной обработки (OS/360, OC EC);

системы разделения времени (UNIX, VMS);

системы реального времени (QNX, RT/11).

Первые предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Критерий создания таких ОС – максимальная пропуская способность при хорошей загрузке всех ресурсов компьютера. В таких системах пользователь отстранен от компьютера.

Системы разделения времени обеспечивают удобство и эффективность работы пользователя, который имеет терминал и может вести диалог со своей программой.

Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (станок, спутник, технологический процесс, например доменный и т.п.), где существует предельное время на выполнение программ, управляющих объектом.

По аппаратной платформе (типу вычислительной техники), для которой они предназначаются, операционные системы делят на следующие группы.

Операционные системы для смарт-карт. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например, электронным платежом. Некоторые смарт-карты являются JAVA-ориентированным и содержат интерпретатор виртуальной машины JAVA. Апплеты JAVA загружаются на карту и выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из таких карт могут одновременно управлять несколькими апплетами JAVA, что приводит к многозадачности и необходимости планирования.

Встроенные операционные системы. Управляют карманными компьютерами (lialm OS, Windows CE – Consumer Electronics – бытовая техника), мобильными телефонами, телевизорами, микроволновыми печами и т.п.

Операционные системы для персональных компьютеров, например, Windows 9.x, Windows ХР, Linux, Mac OSX и др.

Операционные системы мини-ЭВМ, например, RT-11 для PDP-11 – OC реального времени, RSX-11 M для PDP-11 – ОС разделения времени, UNIX для PDP-7.

Операционные системы мэйнфреймов (больших машин), например, OS/390, происходящая от OS/360 (IBM). Обычно ОС мэйнфреймов предполагает одновременно три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций (например, работа с БД, бронирование авиабилетов, процесс работы в банках) и разделение времени.

Серверные операционные системы, например, UNIX, Windows 2000, Linux. Область применения – ЛВС, региональные сети, Intranet, Internet.

Кластерные операционные системы. Кластер – слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений и представляющихся пользователю единой системной, например, Windows 2000 Cluster Server, Windows 2008 Server, Sun Cluster (базовая ОС – Solaris).

Знакомство с архитектурой UNIX начнем с рассмотрения таких неотъемлимых для неё характеристических понятий, как стандартизация и многозадачность:

Стандартизация

Несмотря на многообразие версий UNIX, основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов (в UNIX стандартизовано почти всё – от расположения системных папок и файлов, до интерфейса системных вызовов и списка драйверов базовых устройств). Опытный администратор без особого труда сможет обслуживать другую версию, тогда как для пользователей переход на другую систему и вовсе может оказаться незаметным. Для системных же программистов такого рода стандарты позволяют полностью сосредоточиться на программировании, не тратя время на изучение архитектуры и особенностей конкретной реализации системы.

Многозадачность

В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (задач), причем их число логически не ограничивается, и множество частей одной программы может одновременно находиться в системе. Благодаря специальному механизму управления памятью, каждый процесс развивается в своем защищенном адресном пространстве, что гарантирует безопасность и независимость от других процессов. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на наступление различных событий.

Два кита UNIX: файлы и процессы

Существует два основных объекта операционной системы UNIX, с которыми приходиться работать пользователю – файлы и процессы. Эти объекты сильно связаны друг с другом, и в целом организация работы с ними как раз и определяет архитектуру операционной системы.

Все данные пользователя храняться в файлах; доступ к периферийным устройствам осуществляется посредством чтения и записи специальных файлов; во время выполнения программы, операционная система считывает исполняемый код из файла в память и передает ему управление.

С другой стороны, вся функциональность операционная определяется выполнением соответствующих процессов. В частности, обращение к файлам на диске невозможно, если файловая подсистема операционной системы (совокупность процессов, осуществляющих доступ к файлам) не имеет необходимого для этого кода в памяти.

Беглый взгляд на архитектуру UNIX

Презентация 2-02: беглый взгляд на архитектуру UNIX

Самый общий взляд на архитектуру UNIX позволяет увидеть двухуровневую модель системы, состоящую из пользовательской и системной части (ядра) (см. Рисунок 1.20, «Архитектура операционной системы UNIX»). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы (процессы в пользовательской части операционной системы) от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам посредством системных вызовов. Таким образом, в системе можно выделить два уровня привилегий: уровень системы (привиегии специального пользователя root) и уровень пользователя (привилегии всех остальных пользователей). Подробнее об управлении доступом рассказывается в следующих главах (Глава 3, Безопасность операционной системы UNIX).

Рисунок 1.20. Архитектура операционной системы UNIX

Важной частью системных программ являются демоны. Демон – это процесс, выполняющий опеределенную функцию в системе, который запускается при старте системы и не связан ни с одним пользовательским терминалом. Демоны предоставляют пользователям определенные сервисы, примерами которых могут служить системный журнал, веб-сервер и т.п.. Аналогом демонов в операционной системе Windows NT и более поздних версиях являются системные службы.

Презентация 2-03: ядро UNIX

Операционная система UNIX обладает классическим монолитным ядром (см. «Архитектура операционной системы»), в котором можно выделить следующие основные части:

Файловая подсистема

Доступ к структурам ядра осуществляется через файловый интерфейс.

Управление процессами

Сюда входит управление параллельным выполнением процессов (планирование и диспетчеризация), виртуальной памятью процесса, и взаимодействием между процессами (сигналы, очереди сообщений и т.п.).

Драйверы устройств

Драйверы устройств делятся на символьные и блочные по типу внешнего устройства. Для каждого из устройств определен набор возможных операций (открытие, чтение и т.д.). Блочные устройства кэшируются с помощью специального внутреннего механизма управления буферами.

Рисунок 1.21. Ядро операционной системы UNIX

Благодаря тому, что в UNIX аппаратно-независимая часть явно отделена, это семейство операционных систем может быть с минимальными затратами перенесено на новые аппаратные платформы.

Видно, что ядро операционной системы UNIX является классическим для многозадачной многопользовательской операционной системы, поэтому оно широко используется в обучении системному программированию и теории операционных систем.

1. Особенности алгоритмов управления ресурсами

a. Многозадачные и однозадачные. Многозадачные делятся на вытесняющие (процесс может быть принудительно снят с обслуживания) многозадачность и не вытесняющие многозадачность

b. Однопользовательские и многопользовательские

c. Системы поддерживающие многопотоковую обработку и не поддерживающие

d. Многопроцессорные и однопроцессорные. Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса на симметричные и асимметричные (Асимметричные – все основное – на одном проце, остальное – на другом; симметричные – все на 1 проце)

2. Особенности аппаратной платформы

a. Персональные компы b. Мини-компы

c. Мейнфреймы d. Кластеры e. Сети ЭВМ

3. Особенности областей использования

a. Система пакетной обработки – для задач вычислит характера, главный критерий эффективности – максимальная пропускная способность

b. Система разделения времени – каждой задаче выделяется определенный квант времени – Удобство работы пользователя

c. Система реального времени – Способна выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском прои и получением результата, это время – время реакции системы, соответствующее свойство системы – реактивность (главный критерий эффективности)

4. Особенности методов построения

a. По способу организации ядра системы выделяются монолитное ядро или микроядро (почти во всех ОС, но не в чистом виде).

b. Функциональные и объектно-ориентированные ОС – какие концепции использовались при написании ОС

c. Наличие нескольких прикладных сред (например, под Виндой идет все из ДОСа)

d. ОС с распределенной организацией

РАЗНОВИДНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ОС

1. MS-DOS является наиболее широко распространенной операционной системой для персональных компьютеров. Имеет графический интерфейс, но ограничение памяти, доступной DOS-программ - 640 К. Еще один "черный шар" против DOS - полное отсутствие мультизадачности. DOS предназначена для одновременного выполнения только одной прои

2. Windows 3.1x - Обеспечена возможность работы со всеми прикладными программами MS-DOS (текстовыми процессорами, СУБД, электронными таблицами и пр.). Windows 3.1 может работать в одном из трех режимов: Real (реальном), Standart (стандартном), 386 Enhanced (расширенном)

3. Windows 95 - способность работать с 16-разрядными прикладными программами Windows, программами, унаследованными от DOS, и старыми драйверами устройств реального режима и в то же время совместимой с истинными 32-разрядными прикладными программами и 32-разрядными драйверами виртуальных устройств.

4. Windows NT представляет собой операционную систему сервера, приспособленную для использования на рабочей станции (для получения приемлемой производительности необходимы быстродействующий процессор и по меньшей мере 16 Mb ОЗУ). Собственные прикладным программам выделяется 2 Gb особого адресного пространства, от границы 64 К до 2 Gb (первые 64 К полностью недоступны)

5. OS/2 Warp - это новая ОС с графическим интерфейсам пользователя (ГИП), в то время как Windows представляет собой ГИП, работающий "поверх" DOS. OS/2 является полностью защищенной операционной системой, благодаря чему невозможны конфликты между программами в памяти. OS/2 способна выполнять одновременно несколько прикладных программ.

ОС как виртуальная машина и как система управления ресурсами. Задачи ОС

ОС как виртуальная машина

Чтобы успешно решать свои задачи, ныне пользователь или программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компа и может даже не знать системы команд процессора.Программное и аппаратное обеспечение можно выстроить в виде иерархии, каждый уровень которой представляет собой виртуальную машину со своим интерфейсом-Аппаратная часть-операционная система-системные библиотеки-прикладные прои.ОС как интерфейс между пользователем и компом (виртуальная машина).При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощения, и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов систем, игнорируя детали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компом.

Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных программ очень неудобна для написания прикладным программ. Например, работа с диском предполагает знание внутреннего устройства его электронных компонента – контроллера, для ввода команд вращения диска, поиска и форматирования дорожек, чтения и записи секторов. Средний программист не в состоянии учитывать все особенности работы оборудования (разработки драйверов устройств), а должен иметь простое высокоуровневое абстрактное представление пространства диска, как набор файлов.

ФАЙЛ можно открыть для чтения или записи и использовать для получения или сброса инфы, потом закрывать. Это проще чем задумываться о деталях перемещения головок диска или организации работы мотора. Аналогично, с помощью простых абстракций скрываются от программиста все подробности организации прерываний работы таймера, управление памятью и т.д. ОС представляется пользователю как интерфейс, или виртуальная машина с которой проще работать чем непосредственно с оборудованием компа.

ОС как менеджер ресурсов.

ОС предназначена для управления всеми частями весьма сложной архитектуры компа. Например, когда несколько программ работающих на одном компьютере будут пытаться одновременно осуществить вывод на принтер без управления со стороны ОС, была бы мешанина строчек и страниц. ОС предотвращает такого рода хаос за счет буферизации инфы, предназначенной для печати на диске, и организации очереди на печать. Для многопользовательских компьютеров необходимость управления ресурсами и их защиты еще более очевидна. ОС как менеджер ресурсов осуществляет упорядочение и контролирование распределения процессора, памяти и других ресурсов между различными программами.ОС как защитник пользователей и их программ.При совместной работе нескольких пользователей на одной ВС возникает проблема организации их безопасной деятельности. Необходимо обеспечивать сохранение инфы на диске чтобы никто не мог удалить или повредить чужие файлы. Прои одних пользователей не должны производить вмешательства в прои других пользователей, а так же нужно пресекать попытки несанкционированного использования ВС. Эту деятельность осуществляет ОС как организатор безопасной работы пользователей и их программ.ОС как постоянно функционирующее ядро.ОС это программа постоянно работающая на компьютере и взаимодействующая со всеми прикладными программами.Однако, во многих современных ОС постоянно работает на компьютере лишь часть ОС, которую принято называть ядром ОС.

Т.о. существует много точек зрения на то, что такое ОС. Невозможно дать ей адекватное строгое определение. Проще сказать не что есть ОС, а для чего она нужна и что она делает. Для выяснения этого вопроса полезно рассматривать историю развития вычислительных систем.

ОС выполняет множество функций, которые обычно группируются в соответствии с видом ресурса, которым управляет операционная система, либо со специфической задачей, применимой ко всем видам ресурсов. Можно выделить следующие функции современной многозадачной многопользовательской операционнной системы: управление процессами, управление памятью, управление файлами и внешними устройствами, защита данных и администрирование, интерфейс прикладного программирования, пользовательский интерфейс.Наиболее общим подходом к структуризации ОС является её разделение всех её модулей на две группы:

ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекста, управление памятью, обработка прерываний, работа с внешними устройствами и т.п. компоненты, реализующие дополнительные функции ОС – всевозможные служебные прои, или утилиты

Операционная система (ОС) - организованная совокупность программ (систем), которая действует как интерфейс между аппаратурой ЭВМ и пользователями. Она обеспечивает пользователей набором средств для облегчения проектирования, программирования, отладки и сопровождения программ и в то же время управляет распределением ресурсов для обеспечения эффективной работы.

Операционные системы (ОС) классифицируют :

по особенностям алгоритмов управления ресурсами – локальные и сетевые ОС. Локальные ОС управляют ресурсами отдельного компьютера. Сетевые ОС участвуют в управлении ресурсами сети;

по числу одновременно выполняемых задач - однозадачные и многозадачные . Однозадачные ОС выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной вычислительной машины, обеспечивая его простым и удобным интерфейсом взаимодействия с компьютером, средствами управления периферийными устройствами и файлами. Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства;

по числу одновременно работающих пользователей - однопользовательские и многопользовательские . Основным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей;

по возможности распараллеливания вычислений в рамках одной задачи - поддержка многонитевости . Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями – нитями;

по способу распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами или нитями - невытесняющая многозадачность и вытесняющая многозадачность . В невытесняющей многозадачности механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а в вытесняющей распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам по собственной инициативе не передаст управление операционной системе для выбора из очереди другого готового к выполнению процесса. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом;

по отсутствию или наличию в ней средств поддержки многопроцессорной обработки . Многопроцессорные ОС, в свою очередь, 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 набор процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами;

по ориентации на аппаратные средства - операционные системы персональных компьютеров , серверов , мейнфреймов , кластеров ;

по зависимости от аппаратных платформ – зависимые и мобильные . В мобильных ОС аппаратно зависимые места локализованы так, что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающим перенос ОС на другой тип компьютера является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С ;

по особенностям областей использования – ОС пакетной обработки , разделения времени , реального времени . Системы пакетной обработки предназначены для решения задач вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. В системах с разделением времени каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Каждой задаче выделяется некоторый квант процессорного времени, так что ни одна задача не занимает процессор надолго. Если квант времени выбран небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одном компьютере, создается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, когда существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. Невыполнение программы в срок может привести к аварийной ситуации. Таким образом, критерием эффективности систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата - управляющего воздействия;

по структурной организации и концепциям, положенным в основу:

по способу построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход . ОС использующие монолитное ядро, компонуются как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. При построении ОС на базе микроядра, работающего в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, функции более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС – программные серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, но система получается более гибкой и ее функции можно модифицировать, добавляя или исключая серверы пользовательского режима;

по построению на базе объектно-ориентированного подхода ;

по наличию нескольких прикладных сред в рамках одной ОС, позволяющих выполнять приложения, разработанные для нескольких операционных систем. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы;

по распределению функций операционной системы среди компьютеров сети. В распределенной ОС реализованы механизмы, обеспечивающие пользователя возможностью представлять и воспринимать сеть в виде однопроцессорного компьютера. Признаками распределенной ОС является наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов и службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур для распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу одновременно на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Структуру ОС составляют следующие модули :

базовый модуль (ядро ОС) - управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

В общем случае операционная система выполняет следующие четыре функции:

предоставляет другим программам определенный вид обслуживания (посредством программ-утилит), например выделение и назначение памяти, синхронизацию процесса вычислений и организацию взаимосвязи между различными процессами в вычислительной системе;

обеспечивает защиту (в определенной мере) других программ от последствий различных особых ситуаций, возникающих при машинной реализации данной программы, таких, как прерывания и машинные сбои;

реализует с той или иной степенью сложности принцип “виртуальной машины”, что позволяет группе программ использовать общие вычислительные ресурсы, например процессор (процессоры) и основную память;

организует и следит за выполнением принципов управления при решении таких задач, как обеспечение защиты данных от несанкционированного доступа и реализация системы приоритетов доступа программ к вычислительным ресурсам.

Обеспечивает работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски и т.д

Предоставляет стандартный доступ к различным устройствам ввода/вывода, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства.

Предоставляет некоторый пользовательский интерфейс. Часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из средств интерфейса пользователя.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

Параллельное (точнее, псевдопараллельное, если машина имеет только 1 процессор) исполнение нескольких задач.

Распределение ресурсов компьютера между задачами.

Организация взаимодействия задач друг с другом.

Взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами.

Организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.

Защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ.

По способу загрузки можно выделить загружаемые ОС (большинство) и системы, постоянно находящиеся в памяти вычислительной системы. Последние, как правило, специализированные и используются для управления работой специализированных устройств (например, в БЦВМ баллистической ракеты или спутника, научных приборах, автоматических устройствах различного назначения и др.).

По особенностям алгоритмов управления ресурсами . Главным ресурсом системы является процессор, поэтому дадим классификацию по алгоритмам управления процессором, хотя можно, конечно, классифицировать ОС по алгоритмам управления памятью, устройствами ввода-вывода и.т.д.

Однопрограммные ОС предоставляют пользователю виртуальную машину, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они также имеют средства управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС , кроме того, управляют разделением совместно используемых ресурсов (процессор, память, файлы и т.д.), это позволяет значительно повысить эффективность вычислительной системы.

Поскольку ОС представляет собой сложную программную систему, она использует для собственных нужд значительную часть ресурсов компьютера. Часто эффективность ОС оценивают ее производительностью (пропускной способностью) – количеством задач пользователей, выполняемых за некоторый промежуток времени, временем реакции на запрос пользователя и др.

На все эти показатели эффективности ОС влияет много различных факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие ее функций, качество программного кода, аппаратная платформа (компьютер) и др.

Надежность и отказоустойчивость . Операционная система должна быть, по меньшей мере, так же надежна, как компьютер, на котором она работает. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних сбоев и отказов. В случае ошибки в программе или аппаратуре система должна обнаружить ошибку и попытаться исправить положение или, по крайней мере, постараться свести к минимуму ущерб, нанесенный этой ошибкой пользователям.

Надежность и отказоустойчивость ОС, прежде всего, определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также отлаженностью программного кода (основные отказы и сбои ОС в основном обусловлены программными ошибками в ее модулях). Кроме того, важно, чтобы компьютер имел резервные дисковые массивы, источники бесперебойного питания и др., а также программную поддержку этих средств.

Безопасность (защищенность) . Ни один пользователь не хочет, чтобы другие пользователи ему мешали. ОС должна защищать пользователей и от воздействия чужих ошибок, и от попыток злонамеренного вмешательства (несанкционированного доступа). С этой целью в ОС как минимум должны быть средства аутентификации – определения легальности пользователей, авторизации – предоставления легальным пользователям установленных им прав доступа к ресурсам, и аудита – фиксации всех потенциально опасных для системы событий.

Свойства безопасности особенно важны для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.

Предсказуемость . Требования, которые пользователь может предъявить к системе, в большинстве случаев непредсказуемы. В то же время пользователь предпочитает, чтобы обслуживание не очень сильно менялось в течение предположительного времени. В частности, запуская свою программу в системе, пользователь должен иметь основанное на опыте работы с этой программной приблизительное представление, когда ему ожидать выдачи результатов.
Расширяемость. В отличие от аппаратных средств компьютера полезная жизнь операционных систем измеряется десятками лет. Примером может служить ОС UNIX, да и MS-DOS. Операционные системы изменяются со временем, как правило, за счет приобретения новых свойств, например, поддержки новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если программный код модулей ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Операционная система может быть расширяемой, если при ее создании руководствовались принципами модульности, функциональной избыточности, функциональной избирательности и параметрической универсальности.
Переносимость . В идеальном случае код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называется также многоплатформенностью . Достигается это свойство за счет того, что основная часть ОС пишется на языке высокого уровня (например С, C++ и др.) и может быть легко перенесена на другой компьютер (машинно-независимая часть), а некоторая меньшая часть ОС (программы ядра) является машинно-зависимой и разрабатывается на машинном языке другого компьютера.
Совместимость . Существует несколько "долгоживущих" популярных ОС (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows3.x, Windows NT, OS/2), для которых наработана широкая номенклатура приложений. Для пользователя, переходящего с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность – выполнить свои приложения в новой операционной системе. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то она совместима с этими системами. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. Кроме того, понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.
Удобство . Средства ОС должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю. Современные ОС ориентированы на обеспечение пользователю максимально возможного удобства при работе с ними. Необходимым условием этого стало наличие у ОС графического пользовательского интерфейса и всевозможных мастеров – программ, автоматизирующих активизацию функций ОС, подключение периферийных устройств, установку, настройку и эксплуатацию самой ОС.
Масштабируемость . Если ОС позволяет управлять компьютером с различным числом процессоров, обеспечивая линейное (или почти такое) возрастание производительности при увеличении числа процессоров, то такая ОС является масштабируемой. В масштабируемой ОС реализуется симметричная многопроцессорная обработка. С масштабируемостью связано понятие кластеризации – объединения в систему двух (и более) многопроцессорных компьютеров. Правда, кластеризация направлена не столько на масштабируемость, сколько на обеспечение высокой готовности системы.

Следует заметить, что в зависимости от области применения конкретной операционной системы может изменяться и состав предъявляемых к ней требований.

Производители могут предлагать свои ОС в различных, различающихся ценой и производительностью, конфигурациях. Например, Microsoft продает :

Windows 2003 Server (до 4-х процессоров) – для малого и среднего бизнеса;
Windows 2003 Advanced Server (до 8 процессоров, 2-узловой кластер) – для средних и крупных предприятий;
Windows 2003 DataCenter Server (16-32 процессора, 4-узловой кластер) – для особо крупных предприятий.

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

область использования ОС;

типы аппаратной платформы;

методы проектирования;

реализация внутренних алгоритмов управления ресурсами.

Классификация по области использования:

настольные ОС (Desktop Operating System) - ОС, ориентированные на работу отдельного пользователя в различных предметных областях (разработка программ, работа с документами и т.п.). Основными чертами настольных ОС являются универсальность и ориентированность на пользователя; представители – MacOS, Windows;

серверные ОС , использующиеся в серверах сетей как центральное звено, а также в качестве элементов систем управления; основной чертой серверных ОС является надежность; представители – семейство UNIX, Windows NT;

специализированные ОС , ориентированные на решение узких классов задач с жестким набором требований (высокопроизводительные вычисления, управление в реальном времени); системы такого рода практически неразрывно связаны с аппаратной платформой; представители – QNX, редуцированные и специализированные версии UNIX, системы собственной разработки;

мобильные ОС – вариант развития настольных ОС на аппаратной платформе КПК; основные черты – удобство использования и компактность; представители PalmOS, Windows CE.

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

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

ОС для платформы х86, однопроцессорные варианты;

ОС для платформы х86, многопроцессорные варианты;

ОС для RISC платформ;

ОС для мобильных устройств;

встраиваемые ОС (ОС таких устройств, как принтеры, ЦФК и т.п.).

По внутренним алгоритмам управления ресурсами можно создать несколько бинарных классификаций:

многозадачные /однозадачные ОС;

многопользовательские /однопользовательские ОС и т.п.

Сетевые и распределенные ОС

Компьютерная сеть – это набор компьютеров, связанных коммуникационной системой и снабженных соответствующим программным обеспечением, позволяющим пользователям сети получать доступ к ресурсам этого набора. При организации сетевой работы операционная система играет роль интерфейса, экранирующего от пользователя все детали низкоуровневых программно-аппаратных средств сети. В зависимости от того, какой виртуальный образ реальной аппаратуры компьютерной сети создает ОС, различают сетевые и распределенные ОС.

Сетевая ОС предоставляет пользователю некую виртуальную систему, не полностью скрывающую распределенную природу реального прототипа. Пользователь сетевой ОС всегда знает, что он имеет дело с сетевыми ресурсами и что для доступа к ним нужно выполнить некоторые операции; должен знать, где хранятся его файлы, и использовать явные команды для их перемещения, а также знать, на какой машине выполняется его задание.

В идеальном случае ОС должна предоставлять пользователю сетевые ресурсы так, как если бы они были ресурсами единой централизованной виртуальной машины (ресурсы должны быть максимально прозрачными ). Это – магистральное направление развития ОС. Такая операционная система носит название распределенная ОС .

Распределенная ОС существует как единая операционная система в рамках вычислительной системы и заставляет набор сетевых машин работать как виртуальный унипроцессор. Каждый компьютер сети выполняет часть функций этой единой ОС. Пользователь в таком случае, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется его работа. В настоящее время практически все сетевые ОС далеки от идеала истинной распределенности.

Уточним термин «сетевая ОС». На разных компьютерах сети могут работать разные ОС, функционирующие независимо в том смысле, что каждая из них принимает независимые решения о создании и завершении своих собственныхпроцессов и управлении локальными ресурсами . Но в любом случае эти операционные системы должны включать средства для работы в сети:

взаимно согласованный набор коммуникационных протоколов для организации взаимодействия процессов, выполняющихся на разных компьютерах;

разделения ресурсов этих компьютеров между пользователями сети;

подсистемы, организующие работу по этим протоколам.

В итоге ОС получает возможность предоставления своих ресурсов в общее пользование и/или потребления ресурсов других компьютеров. Под сетевой ОС будем понимать операционную систему отдельного компьютера, включающую средства для работы в сети. ОС Windows, начиная с NT, различные варианты ОС Unix (HP-UX компании Hewlett-Packard, Solaris компании Sun, FreeBSD и др.), различные варианты ОС Linux, ОС MacOS, ОС NetWare компании Novell являются сетевыми. Основные функциональные компоненты сетевой ОС показаны на рисунке 1.1.

Средства управления локальными ресурсами реализуют все функции ОС автономного компьютера, описанные выше.

Сетевые средства подразделяются на три компонента:

серверная часть ОС – средства предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование;

клиентская часть ОС – средства запроса доступа к удаленным (т.е. принадлежащим другим компьютерам сети) ресурсам и услугам;

транспортные, или коммуникационные средства ОС – средства, совместно с коммуникационной системой обеспечивающие обмен сообщениями в сети.

Рис1.1 Основные функциональные компоненты сетевой ОС.

Правила взаимодействия компьютеров при передаче сообщений по сети фиксируются в коммуникационных протоколах (Ethernet, Token Ring, IP, IPX и пр.).

Упрощенная схема работы сетевых ОС иллюстрируется на рисунке 1.2. на примере взаимодействия двух компьютеров.

Рис1.2 Упрощенная схема работы сетевых ОС

Суть взаимодействия: пусть приложение, работающее на первом компьютере, использует файлы, размещенные на диске второго компьютера.

Для компьютера 1 дисковое пространство диска 2 является запрашиваемым удаленным ресурсом, следовательно, запрос на этот ресурс формируется клиентской частью ОС1. ОС2 предоставляет ресурс, следовательно, запрос будет обрабатываться серверной частью ОС2.

На рисунке в клиентской части ОС1 выделен компонент, названный редиректором (от redirect – перенаправлять). Это – программный модуль, предназначенный для распознавания запросов к удаленным и локальным файлам и перенаправления первых к удаленной машине. В таком случае приложения на клиентской машине не должны заботиться о том, с какими файлами они работают – удаленными или локальными. Если функции перенаправления присутствуют в клиентской части сетевой ОС, то редиректором часто называют всю клиентскую часть.

Требования к современным ОС

Суть требований к функциональности ОС состоит в управлении ресурсами и обеспечении интерфейса пользователя и прикладных программ. Помимо этого, к операционным системам предъявляется целый ряд важных эксплуатационных требований.

Расширяемость – возможность внесения изменений без нарушения целостности системы. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС: программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.

Переносимость . В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Поскольку переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, это свойство называют также многоплатформенностью.

Совместимость . Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то она обладает совместимостью с этими ОС. Различают: совместимость на уровне двоичных кодов (исполняемых программ); на уровне исходных текстов; поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.

Надежность и отказоустойчивость . Система должна быть защищена от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть предсказуемы, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС.

Эти свойства обеспечиваются архитектурными решениями, положенными в основу ОС, качеством их реализации (отлаженностью кода) и программной поддержкой аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости (например, источников бесперебойного питания).

Безопасность . Заключается в защите данных и других ресурсов от несанкционированного доступа. Обеспечивается средствами аутентификации (определения легальности пользователя), авторизации (предоставления дифференцированных прав доступа к ресурсам), аудита (фиксации «подозрительных» с точки зрения безопасности событий).

Производительность – настолько хорошее быстродействие и время реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. Определяется архитектурой ОС, многообразием функций, качеством кода, возможностью использования высокопроизводительной аппаратной платформы.

Итак, подведем итоги. Операционные системы классифицируются по:

количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;

числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: однозадачные, многозадачные;

количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные;

разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;

типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);

типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени;

типу использования ресурсов: сетевые, локальные.

В соответствии с первым признаком классификации многопользовательские операционные системы, в отличие от однопользовательских, поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей за различными терминалами.

Второй признак предполагает деление ОС на многозадачные и однозадачные. Понятие многозадачности означает поддержку параллельного выполнения нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы, в один момент времени. Однозадачные ОС поддерживают режим выполнения только одной программы в отдельный момент времени.

В соответствии с третьим признаком многопроцессорные ОС, в отличие от однопроцессорных, поддерживают режим распределения ресурсов нескольких процессоров для решения той или иной задачи.

Четвертый признак подразделяет операционные системы на 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. При этом подразумевается, что разрядность операционной системы не может превышать разрядности процессора.

В соответствии с пятым признаком ОС по типу пользовательского интерфейса делятся на объектно-ориентированные (как правило, с графическим интерфейсом) и командные (с текстовым интерфейсом).

Согласно шестому признаку ОС подразделяются на системы:

пакетной обработки , в которых из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

разделения времени (TSR), обеспечивающих одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;

реального времени , обеспечивающих определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними по отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами.

В соответствии с седьмым признаком классификации ОС делятся на сетевые и локальные. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, и предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также множество сервисных возможностей по использованию сетевых ресурсов.

Контрольные вопросы

1. Какие основания являются наиболее существенными для построения классификации ОС?

2. Перечислите известную Вам классификацию ОС по области использования.

3. Какие существуют классы классификации ОС по типу аппаратной платформы?

4. Какие классификации ОС можно создать по внутренним алгоритмам управления ресурсами?

5. Расшифруйте термин «сетевая ОС».

6. Каково назначение сетевых ОС?

7. Что представляет собой распределенная ОС?

8. Какие средства для работы в сети должны включать сетевые операционные системы?

9. На какие компоненты подразделяются сетевые средства?

10. Какие требования предъявляются к современным ОС?