Операционные системы
Краткий очерк истории операционных систем. Классификация периферийных устройств и их архитектура. Характеристики файлов и архитектура файловых систем. Распределение памяти без использования виртуальных адресов. Драйверы устройств в Windows, UNIX.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.02.2011 |
| Размер файла | 418,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Дроздов Сергей Николаевич
ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Конспект лекций
Для студентов специальностей 220400, 351500
Ответственный за выпуск Дроздов С.Н.
1. Введение
1.1. Предмет и задачи курса
Предметом изучения в данном курсе являются операционные системы (ОС) современных компьютеров.
В первом приближении ОС можно определить как комплекс программ, обеспечивающих интерфейс между аппаратурой компьютера, прикладными программами и пользователем компьютера. Соответственно этому определению, все функции, выполняемые ОС, подчинены решению двух основных задач:
организации эффективной работы аппаратуры компьютера;
обеспечению удобного использования ресурсов компьютера как прикладными программами, так и пользователем, работающим с компьютером.
Основной целью курса является изучение устройства и функционирования современных ОС. При этом будут рассматриваться два круга вопросов:
основные принципы построения ОС, наиболее распространенные алгоритмы выполнения различных функций ОС, типовые структуры данных, используемые для обеспечения работы ОС;
практическое воплощение этих принципов, алгоритмов, структур в наиболее распространенных современных ОС.
В задачи курса не входит обучение практическим приемам работы с конкретными ОС. Это гораздо лучше делать самостоятельно. С другой стороны, не ставится и задача научить слушателей разрабатывать новые ОС. Операционные системы не являются массовыми изделиями, и участвовать в их разработке доводится лишь меньшей части программистов. Уровень знаний, которого хотелось бы достичь при изучении данного предмета, можно сравнить с тем уровнем знаний об устройстве автомобиля, который полезен хорошему водителю. Он не обязательно должен быть автомехаником, однако должен в основных чертах понимать, что находится под капотом и как оно там крутится.
1.2. Рекомендации по литературе
Содержание лекционного курса не обязательно на 100% совпадет с данным конспектом, поэтому надежнее всего ходить на лекции и иметь к экзамену собственный конспект.
Из книг общего характера учебник /1/ более всего соответствует данному курсу, как по содержанию, так и в еще большей степени по общему взгляду на предмет. Эту книгу можно найти и в Сети, а также в локальной сети кафедры.
Похвалы и уважения заслуживает книга /2/ - огромный по объему и достаточно простой по изложению обзор всего важного об ОС.
Достаточно хороша также книга /3/, используемая как основной учебник по ОС во многих американских университетах.
Лентяям пригодится книга /4/, в которой, наряду с другими вопросами системного программирования, кратко и довольно толково изложены основные проблемы ОС. Правда, книга старовата.
Книги 5 и 6 содержат много полезного по практическим вопросам проектирования ОС, а 7 остается хорошим источником по теоретическим и алгоритмическим вопросам.
Из литературы по Windows следует прежде всего рекомендовать классическую книгу 8, которая делает понятными многие вопросы, трудно перевариваемые по официальной документации. Более глубокий разбор того, «как это сделано в Windows», можно найти в книге. К сожалению, эта книга заметно уступает замечательной, но устаревшей по материалу книге того же автора, которую, тем не менее, полезно прочесть тем, кого интересуют вопросы практической реализации ОС.
На фоне неисчислимых и неотличимых друг от друга пользовательских руководств по UNIX следует выделить достаточно серьезную работу /11/. Не потеряла интереса старенькая, тонкая книжка /12/, в которой содержится много полезного об основных структурах данных и алгоритмах UNIX. Намного подробнее те же вопросы рассмотрены в другой старой книге, которая давно приобрела известность в электронном варианте /13/. Бумажное издание этой книги на русском языке существует только в пиратском варианте, без указания имени автора.
Для тех, кого еще интересует MS-DOS, можно порекомендовать /14/, это одна из лучших книг на данную тему.
Некоторые алгоритмы, используемые при реализации различных ОС, хорошо изложены в классической книге /15/.
Большие коллекции литературы и документации по ОС имеются в Интернете. Среди русскоязычных сайтов можно рекомендовать, например, /16, 17, 18, 19, 20/.
Знание английского языка открывает доступ к морю свежей информации в Интернете. Огромная куча сведений по Windows содержится в /21/. На сайте /22/ можно найти интересные статьи по отдельным вопросам архитектуры Windows, а также скачать ряд полезных утилит. Из большого числа сайтов, посвященных UNIX и Linux, можно назвать, например, /23/ и /24/. На сайте /25/ можно найти много статей и книг по актуальным вопросам программирования, в том числе по ОС.
1.3. Краткий очерк истории ОС
Изучение истории развития ОС показывает, что все существенные продвижения в области архитектуры ОС связаны с влиянием двух основных факторов:
прогресс технологии, приводящий к быстрому возрастанию характеристик аппаратуры ЭВМ и к появлению принципиально новых типов аппаратуры;
принципиально новые идеи, возникающие у проектировщиков.
Не ввязываясь в давний спор материалистов с идеалистами, в данном частном случае приходится признать, что первый, материальный фактор определял развитие ОС на 80 - 90%. Такие технологические прорывы, как изобретение магнитных дисков, микропроцессоров, создание высококачественных видеомониторов, настоятельно требовали радикальных изменений в технологии работы с компьютером, и вследствие этого обуславливали создание принципиально новых типов ОС или их отдельных подсистем. С другой стороны, некоторые идеи в области организации вычислительного процесса и интерфейса дали серьезный толчок совершенствованию архитектуры компьютеров.
Не зная хотя бы в общих чертах основных этапов развития аппаратного и программного обеспечения, трудно понять многие особенности современных ОС.
Дополнительный аргумент в пользу знания истории заключается в том, что многие технические решения, которые, казалось, навсегда ушли в прошлое вместе с конкретными системами, неожиданно вновь оказываются актуальными на новом витке развития. Некоторые примеры такого рода будут рассмотрены в курсе.
1.3.1 Предыстория ОС
Вскоре после того, как в конце 40-х годов XX века были созданы первые электронные компьютеры, очень остро встала проблема повышения эффективности использования оборудования, и прежде всего центрального процессора.
Типичный компьютер первого - второго поколений представлял собой большую комнату, уставленную шкафами и увитую кабелями. Каждое из основных устройств - центральный процессор, оперативная память, накопители на магнитных лентах, устройства ввода с перфокарт, принтер - занимало один или несколько «шкафов» или «тумб», наполненных радиолампами и механическими частями.
Все это стоило больших денег, потребляло бешеное количество электроэнергии Как вспоминает один из разработчиков первого советского компьютера МЭСМ (Малая(!) Электронная Счетная Машина), когда этого монстра включали, то приходилось в январе месяце открывать все окна, чтобы удержать температуру в машинном зале в пределах 30. и регулярно ломалось.
В таких условиях машинное время стоило очень дорого. Тем не менее, обычная практика использования ЭВМ не способствовала экономии. Как правило, программист, разрабатывающий программу, заказывал ежедневно несколько часов машинного времени и в течение этого времени монопольно использовал машину. Выполнив очередной запуск отлаживаемой программы (которую надо было каждый раз вводить либо с клавиатуры, либо, в лучшем случае, с перфокарт), пользователь получал распечатку (чаще всего в виде массива цифр), анализировал результаты, вносил изменения в программу и снова запускал ее. Таким образом, в ходе сеанса отладки дорогостоящее оборудование простаивало 99% времени, пока программист осмысливал результаты и работал с устройствами ввода/вывода. Кроме того, сбой при вводе одной перфокарты мог потребовать начать сначала всю работу программы.
Возникла великая идея - использовать сам компьютер для повышения эффективности работы с ним же.
Одно из ответвлений этой идеи - создание языков и систем программирования - рассматривается в отдельных курсах. Другим важным шагом стало возложение на специальную компьютерную программу части тех функций, которые до этого выполнял оператор или сам программист.
Программы такого рода назывались обычно мониторами (не путать с монитором как устройством вывода, который в то время был редчайшей экзотикой!). Монитор принимал команды, состоящие, как правило, из 1-2 букв названия и 1-3 аргументов, заданных 8-ричными или 16-ричными числами. Типичными командами были, например:
загрузка данных с перфокарт по указанному адресу памяти;
просмотр и корректировка (с пишущей машинки) значений в указанном диапазоне адресов;
пошаговое выполнение программы с выдачей результатов каждой команды на пишущую машинку;
запуск программы с указанного адреса с заданием адресов контрольных точек остановки.
Несмотря на убогость, по нынешним меркам, подобных средств, они в свое время значительно повысили производительность работы программистов. Однако кардинального повышения загрузки процессора не произошло.
Временем широкого распространения мониторов в мире были 50-е годы прошлого века (в СССР - 60-е годы). В настоящее время нечто подобное можно встретить на самых примитивных микропроцессорных контроллерах.
1.3.2 Пакетные ОС
Историю собственно ОС можно начать с появления в конце 50-х годов первых систем, организующих работу по пакетному принципу.
Важнейшим организационным изменением, происшедшим на этом этапе развития, стало массовое изгнание программистов из машинных залов, как фактора, лишь вносящего сумятицу в работу.
Теперь от программиста требовалось собрать пакет перфокарт, содержащий его программу, данные к ней, а также управляющие перфокарты. Эти карты на специально разработанном языке управления заданиями (JCL, Job Control Language) объясняли операционной системе, чье это задание, что нужно сделать с программой (например, передать ее транслятору с Фортрана), что предпринять в случае успешной трансляции (вероятно, пустить на решение), что - при наличии ошибок (например, перейти к другой программе), откуда взять исходные данные (например, с такого-то цилиндра магнитного диска). Кроме того, там могли быть даже указания на то, сколько метров бумаги можно выделить на распечатку и какое максимальное время может занять работа программы.
Обойтись без столь подробных инструкций было нельзя, потому что программист не присутствовал при запуске задания и не мог вмешаться лично.
Подготовленный пакет передавался, вместе с другими подобными пакетами, оператору ЭВМ, перед которым стояли две основные задачи: чтобы в устройстве ввода не переводились пакеты заданий и чтобы в принтере не кончилась бумага. Когда процессор заканчивал обработку задания и печать его результатов, он вводил следующий пакет и приступал к его обработке. Так достигалась основная цель пакетного режима - исключить простои процессора из-за нерасторопности людей.
В скором времени разработчики ОС осознали, что вычерпаны далеко не все резервы повышения загрузки процессора. Операции ввода и печати требовали лишь очень небольшой доли от полной производительности процессора. Кроме того, в ходе работы программы случались обращения к периферийным устройствам (например, к магнитным лентам и, позднее, дискам), при выполнении которых процессор опять простаивал. Целесообразно было найти способ, чтобы в эти периоды ожидания загрузить процессор другой работой. Но для этого необходимо, чтобы в памяти процессора находились сразу несколько программ, тогда ОС смогла бы переключать процессор на выполнение той программы, которая в данный момент может работать.
Такая организация работы, когда в памяти находятся несколько программ и система в определенные моменты переключает выполнение с одной программы на другую, была названа мультипрограммированием. Эта важная идея в разных воплощениях пережила те пакетные системы, в которых она впервые была реализована, и является основой для функционирования практически всех современных ОС.
Среди наиболее развитых пакетных ОС с мультипрограммированием нельзя не назвать OS/360, основную ОС знаменитого в 60-70 гг. семейства ЭВМ IBM 360/370.
1.3.3 ОС с разделением времени
На рубеже 60-70 гг. распространенным и не слишком дорогим периферийным устройством становятся мониторы (сначала монохромные и работающие только в текстовом режиме). При этом процессор и ОЗУ остаются самыми дорогими и громоздкими устройствами вычислительной системы. В этих условиях возникает и быстро приобретает популярность принципиально новый тип ОС - системы с разделением времени.
К одной ЭВМ подключается несколько десятков рабочих мест, оборудованных дисплеем (монитор + клавиатура) и совместно использующих вычислительные ресурсы ЭВМ. Процессорное время делится на кванты длительностью в несколько десятков миллисекунд и по истечении каждого кванта процессор может быть переключен на обслуживание другого процесса, другого дисплея. Поскольку теперь подготовку текстов программ выполняют сами программисты за дисплеями, а работа по редактированию текста требует очень малых затрат процессорного времени, процессор успевает обслужить все рабочие места практически без ощутимой задержки. Большая часть времени процессора уделяется небольшому числу рабочих мест, где в данный момент запущены на выполнение программы. При этом, разумеется, средняя скорость работы каждой программы уменьшается, по крайней мере во столько раз, сколько программ выполняется одновременно.
Режим разделения времени стал огромным облегчением для программистов, которые вновь смогли в некоторой степени почувствовать себя «хозяевами» ЭВМ и получили возможность запускать программы на трансляцию и отладку хоть каждые 5 минут. Это позволило сократить сроки разработки и отладки программ.
Для трудоемких вычислительных заданий, предусматривающих счет по ранее отлаженным программам, режим разделения времени менее эффективен, чем пакетный, поскольку частое переключение процессора между выполняемыми программами требует дополнительных затрат времени.
Системы разделения времени используются в режиме диалога с пользователем, поэтому вместо громоздких, детализированных операторов JCL в них используются более простые команды, выполняющие элементарные действия - запуск программы, выдача на экран файла или каталога, копирование или удаление файла и т.п. Пользователю не нужно предвидеть заранее все возможные исходы выполнения команды, гораздо проще увидеть результат выполнения на экране и после этого принять решение, какую команду выполнять следующей. В то же время, некоторые часто повторяющиеся последовательности команд удобно описать один раз в виде «пакетного задания» и затем использовать при необходимости. В этом плане системы разделения времени сохраняют те удобные возможности, которые предоставляли пакетные системы.
Первоначально в качестве аппаратной основы систем разделения времени должны были использоваться «большие» ЭВМ, которые позднее стало принято называть «мейнфреймами» (mainframes). Позднее, по мере прогресса вычислительной техники, это стало по плечу даже миниЭВМ (так назывался в те годы класс компьютеров, занимавших всего лишь один-два небольших шкафчика). Следует особо упомянуть серию миниЭВМ PDP-11, имевшую широчайшее распространение во всем мире в течение полутора десятков лет.
Этот период (70-е годы в мире, 80-е в СССР) характерен глубоким развитием теории и практики создания мощных ОС, содержащих развитые средства управления процессами и памятью, реализующих многопользовательский режим работы. Из большого числа подобных систем особого упоминания заслуживает UNIX - единственная система, благополучно дожившая до нашего времени.
1.3.4 Однозадачные ОС для ПЭВМ
В середине 70-х годов был изобретен микропроцессор, а к началу 80-х микропроцессоры стали догонять по функциональным характеристикам ранее использовавшиеся «большие» процессоры. Эта ситуация сделала почти бесполезным режим разделения времени: зачем делить один процессор между многими задачами и многими пользователями, если проще и дешевле дать отдельный микропроцессор каждому пользователю? Разделение времени осталось целесообразным разве что в отношении суперкомпьютеров.
Появление и бурное распространение персональных компьютеров (ПК) вызвало к жизни новое поколение ОС, которые оказались во много раз проще своих предшественниц. Ненужной оказалась многопользовательская защита. На первых порах показалась ненужной и многозадачность. Все это можно было расценить как явный регресс в развитии ОС.
Наиболее популярной ОС для ранних восьмиразрядных ПК была система CP/M известной тогда фирмы Digital Research, однако с появлением в начале 80-х знаменитой машины IBM PC лидерство было прочно перехвачено системой MS-DOS фирмы Microsoft.
1.3.5 Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом
Быстрое развитие технологии привело к тому, что к концу 80-х годов ПК оказались в состоянии решать значительно более сложные и трудоемкие задачи, чем раньше. При этом многие из достижений прежних этапов развития ОС оказались вновь востребованными, но теперь уже в новых условиях, среди которых надо назвать резкое повышение мощности процессоров и объема памяти, появление высококачественных графических мониторов и развитие сетевых технологий.
Стала реальной такая вещь, как многозадачная ОС для ПК. Надо сказать, что первоначально идея системы, в которой один пользователь запускает одновременно несколько приложений, большинству специалистов казалась пустым пижонством и вызывала насмешки: «Почему бы не выполнить несколько программ по очереди?». Сейчас с таким взглядом смешно даже спорить.
А все же, как бы вы обосновали пользу многозадачности для современных ОС типа Windows?
На смену ОС, которые выполняли текстовые команды, вводимые пользователем с клавиатуры, пришли системы, в которых взаимодействие с пользователем основано на использовании GUI (Graphical User Interface, графический интерфейс пользователя).
Значительная часть ПК работает в составе локальных вычислительных сетей. Это привело к тому, что вопросы защиты данных пользователя вновь приобрели первостепенное значение.
1.4 Классификация ОС
Существуют различные виды классификации ОС по тем или иным признакам, отражающие разные существенные характеристики систем.
По назначению.
Системы общего назначения. Это достаточно расплывчатое название подразумевает ОС, предназначенные для решения широкого круга задач, включая запуск различных приложений, разработку и отладку программ, работу с сетью и с мультимедиа.
Системы реального времени. Этот важный класс систем предназначен для работы в контуре управления объектами (такими, как летательные аппараты, технологические установки, автомобили, сложная бытовая техника и т.п.). Из подобного назначения вытекают жесткие требования к надежности и эффективности системы. Должно быть обеспечено точное планирование действий системы во времени (управляющие сигналы должны выдаваться в заданные моменты времени, а не просто «по возможности быстро»). Особый подкласс составляют системы, встроенные в оборудование. Такие системы годами могут выполнять фиксированный набор программ, не требуя вмешательства человека-оператора на более глубоком уровне, чем нажатие кнопки «Вкл.».
Иногда выделяют также такой класс ОС, как системы с «нежестким» реальным временем. Это такие системы, которые не могут гарантировать точное соблюдение временных соотношений, но «очень стараются», т.е. содержат средства для приоритетного выполнения заданий, критичных по времени. Такой системе нельзя доверить управление ракетой, но она вполне справится с демонстрацией видеофильма. Выделение подобных систем в отдельный класс имеет скорее рекламное значение, позволяя таким системам, как Windows NT и некоторые версии UNIX, тоже называть себя «системами реального времени».
Прочие специализированные системы. Это различные ОС, ориентированные прежде всего на эффективное решение задач определенного класса, с большим или меньшим ущербом для прочих задач. Можно выделить, например, сетевые системы (такие, как Novell Netware), обеспечивающие надежное и высокоэффективное функционирование локальных сетей.
По характеру взаимодействия с пользователем.
Пакетные ОС, обрабатывающие заранее подготовленные задания.
Диалоговые ОС, выполняющие команды пользователя в интерактивном режиме. Красивое слово «интерактивный» означает постоянное взаимодействие системы с пользователем.
ОС с графическим интерфейсом. В принципе, их также можно отнести к диалоговым системам, однако использование мыши и всего, что с ней связано (меню, кнопки и т.п.) вносит свою специфику.
Встроенные ОС, не взаимодействующие с пользователем.
По числу одновременно выполняемых задач.
Однозадачные ОС. В таких системах в каждый момент времени может существовать не более чем один активный пользовательский процесс. Следует заметить, что одновременно с ним могут работать системные процессы (например, выполняющие запросы на ввод/вывод).
Многозадачные ОС. Они обеспечивают параллельное выполнение нескольких пользовательских процессов. Реализация многозадачности требует значительного усложнения алгоритмов и структур данных, используемых в системе.
По числу пользователей.
Однопользовательские ОС. Для них характерен полный доступ пользователя к ресурсам системы. Подобные системы приемлемы в основном для изолированных компьютеров, не допускающих доступа к ресурсам данного компьютера по сети или с удаленных терминалов.
Многопользовательские ОС. Их важной компонентой являются средства защиты данных и процессов каждого пользователя, основанные на понятии владельца ресурса и на точном указании прав доступа, предоставленных каждому пользователю системы.
По аппаратурной основе.
Однопроцессорные ОС. В данном курсе будут рассматриваться только они.
Многопроцессорные ОС. В задачи такой системы входит, помимо прочего, эффективное распределение выполняемых заданий по процессорам и организация согласованной работы всех процессоров.
Сетевые ОС. Они включают возможность доступа к другим компьютерам локальной сети, работы с файловыми и другими серверами.
Распределенные ОС. Их отличие от сетевых заключается в том, что распределенная система, используя ресурсы локальной сети, представляет их пользователю как единую систему, не разделенную на отдельные машины.
1.5 Критерии оценки ОС
При сравнительном рассмотрении различных ОС в целом или их отдельных подсистем возникает вечный вопрос - какая из них лучше и почему, какая архитектура системы предпочтительнее, какой из алгоритмов эффективнее, какая структура данных удобнее и т.п.
Очень редко можно дать однозначный ответ на подобные вопросы, если речь идет о практически используемых системах. Система или ее часть, которая хуже других систем во всех отношениях, просто не имела бы права на существование. На самом деле имеет место типичная многокритериальная задача: имеется несколько важных критериев качества, и система, опережающая прочие по одному критерию, обычно уступает по другому. Сравнительная важность критериев зависит от назначения системы и условий ее работы.
1.5.1 Надежность
Этот критерий вообще принято считать самым важным при оценке программного обеспечения, и в отношении ОС его действительно принимают во внимание в первую очередь.
Что понимается под надежностью ОС?
Прежде всего, ее живучесть, т.е. способность сохранять хотя бы минимальную работоспособность в условиях аппаратных сбоев и программных ошибок. Высокая живучесть особенно важна для ОС компьютеров, встроенных в аппаратуру, когда вмешательство человека затруднено, а отказ компьютерной системы может иметь тяжелые последствия.
Во-вторых, способность, как минимум, диагностировать, а как максимум, компенсировать хотя бы некоторые типы аппаратных сбоев. Для этого обычно вводится избыточность хранения наиболее важных данных системы.
В-третьих, ОС не должна содержать собственных (внутренних) ошибок. Это требование редко бывает выполнимо в полном объеме (программисты давно сумели доказать своим заказчикам, что в любой большой программе всегда есть ошибки, и это в порядке вещей), однако следует хотя бы добиться, чтобы основные, часто используемые или наиболее ответственные части ОС были свободны от ошибок.
Наконец, к надежности системы следует отнести ее способность противодействовать явно неразумным действиям пользователя. Обычный пользователь должен иметь доступ только к тем возможностям системы, которые необходимы для его работы. Если же пользователь, даже действуя в рамках своих полномочий, пытается сделать что-то очень странное (например, отформатировать системный диск), то самое малое, что должна сделать ОС, это переспросить пользователя, уверен ли он в правильности своих действий.
1.5.2 Эффективность
Как известно, эффективность любой программы определяется двумя группами показателей, которые можно обобщенно назвать «время» и «память». При разработке системы приходится принимать много непростых решений, связанных с оптимальным балансом этих показателей.
Важнейшим показателем временнуй эффективности является производительность системы, т.е. усредненное количество полезной вычислительной работы, выполняемой в единицу времени. С другой стороны, для диалоговых ОС не менее важно время реакции системы на действия пользователя. Эти показатели могут в некоторой степени противоречить друг другу. Например, в системах разделения времени увеличение кванта времени повышает производительность (за счет сокращения числа переключений процессов), но ухудшает время реакции.
В программировании известна аксиома: выигрыш во времени достигается за счет проигрыша в памяти, и наоборот. Это в полной мере относится к ОС, разработчикам которых постоянно приходится искать баланс между затратами времени и памяти.
Забота от эффективности долгое время стояла не первом месте при разработке программного обеспечения, и особенно ОС. К сожалению, оборотной стороной стремительного увеличения мощности компьютеров стало ослабление интереса к эффективности программ. В настоящее время эффективность является первостепенным требованием разве что в отношении систем реального времени.
1.5.3 Удобство
Этот критерий наиболее субъективен. Можно предложить, например, такой подход: система или ее часть удобна, если она позволяет легко и просто решать те задачи, которые встречаются наиболее часто, но в то же время содержит средства для решения широкого круга менее стандартных задач (пусть даже эти средства не столь просты). Пример: такое частое действие, как копирование файла, должно выполняться при помощи одной простой команды или легкого движения мыши; в то же время для изменения разделов диска не грех почитать руководство, поскольку это может понадобиться даже не каждый год.
Разработчики каждой ОС имеют собственные представления об удобстве, и каждая ОС имеет своих приверженцев, считающих именно ее идеалом удобства.
1.5.4 Масштабируемость
Довольно странный термин «масштабируемость» (scalability) означает возможность настройки системы для использования в разных вариантах, в зависимости от мощности вычислительной системы, от набора конкретных периферийных устройств, от роли, которую играет конкретный компьютер (сервер, рабочая станция или изолированный компьютер) от назначения компьютера (домашний, офисный, исследовательский и т.п.).
Гарантией масштабируемости служит продуманная модульная структура системы, позволяющая в ходе установки системы собирать и настраивать нужную конфигурацию. Возможен и другой подход, когда под общим названием объединяются, по сути, разные системы, обеспечивающие в разумных пределах программную совместимость. Примером могут служить версии Windows NT/2000/XP, Windows 95/98 и Windows CE.
В некоторых случаях фирмы, производящие программное обеспечение, искусственно отключают в более дешевых версиях системы те возможности, которые на самом деле реализованы, но становятся доступны, только если пользователь покупает лицензию на более дорогую версию. Но это уже вопрос, связанный не с технической стороной дела, а с маркетинговой политикой.
1.5.5 Способность к развитию
Чтобы сложная программа имела шансы просуществовать долго, в нее изначально должны быть заложены возможности для будущего развития.
Одним из главных условий способности системы к развитию является хорошо продуманная модульная структура, в которой четко определены функции каждого модуля и его взаимосвязи с другими модулями. При этом создается возможность совершенствования отдельных модулей с минимальным риском вызвать нежелательные последствия для других частей системы.
Важным требованием к развитию ОС является совместимость версий снизу вверх, означающая возможность безболезненного перехода от старой версии к новой, без потери ранее наработанных прикладных программ и без необходимости резкой смены всех навыков пользователя. Обратная совместимость - сверху вниз - как правило, не гарантируется, поскольку в ходе развития система приобретает новые возможности, не реализованные в старых версиях. Программа из Windows 3.1 будет нормально работать и в Windows XP; наоборот - вряд ли.
Фирмы-производители ОС прилагают максимум усилий для обеспечения совместимости снизу вверх, чтобы не отпугнуть пользователей. Но при этом фирмы стараются в каждую новую версию заложить какую-нибудь новую конфетку, которая побудила бы пользователей как можно скорее купить ее.
Совместимость версий - благо для пользователя, однако на практике она часто приводит к консервации давно отживших свой век особенностей или же просто неудачных решений, принятых в ранней версии системы. В документации подобные архаизмы помечаются как «устаревшие» (obsolete), но полного отказа от них, как правило, не происходит (а вдруг где-то еще работает прикладная программа, написанная двадцать лет назад с использованием именно этих средств?).
Как правило, наиболее консервативной стороной любой ОС являются не алгоритмы, а структуры системных данных, поэтому дальновидные разработчики заранее строят структуры «на вырост»: закладывают в них резервные поля, используют переменные вместо некоторых констант, устанавливают количественные ограничения с большим запасом и т.п.
1.5.6 Мобильность
Под мобильностью (portability) понимается возможность переноса программы (в данном случае ОС) на другую аппаратную платформу, т.е. на другой тип процессора и другую архитектуру компьютера. Здесь имеется в виду перенос с умеренными трудозатратами, не требующий полной переработки системы.
Свойство мобильности не столь однозначно положительно, как может показаться. Чтобы программа была мобильна, при ее разработке следует отказаться от глубокого использования особенностей конкретной архитектуры (таких, как количество и функциональные возможности регистров процессора, нестандартные команды и т.п.). Мобильная программа должна быть написана на языке достаточно высокого уровня (часто используется язык C), который можно реализовать на компьютерах любой архитектуры. Платой за мобильность всегда является некоторая потеря эффективности, поэтому немобильные системы распространены достаточно широко.
С другой стороны, история системного программирования усеяна останками замечательных, эффективных и удобных, но немобильных ОС, которые вымерли вместе с процессорами, для которых они предназначались. В то же время мобильная система UNIX продолжает процветать четвертый десяток лет, намного пережив те компьютеры, для которых она первоначально создавалась. Примерно 5-10% исходных текстов UNIX написаны на языка ассемблера и должны переписываться заново при переносе на новую архитектуру. Остальная часть системы написана на C и практически не требует изменений при переносе.
Некоторым компромиссом являются многоплатформенные ОС (например, Windows NT), изначально спроектированные для использования на нескольких аппаратных платформах, но не гарантирующие возможность переноса на новые, не предусмотренные заранее архитектуры.
1.6 Основные функции и структура ОС
Согласно многолетней традиции, при рассмотрении основ функционирования ОС принято выделять четыре основных группы функций, выполняемых системой.
Управление устройствами. Имеются в виду все периферийные устройства, подключаемые к компьютеру, - клавиатура, монитор, принтеры, диски и т.п.
Управление данными. Под этим старинным термином сейчас понимается работа с файлами, хотя были времена, когда обращение к данным на магнитных носителях выполнялось путем указания адреса размещения данных на устройстве, а понятия файла не существовало.
Управление процессами. Эта сторона работы ОС связана с запуском и завершением работы программ, обработкой ошибок, обеспечением параллельной работы нескольких программ на одном компьютере.
Управление памятью. Оперативная память компьютера - это такой ресурс, которого всегда не хватает. В этих условиях разумное планирование использования памяти является важнейшим фактором эффективной работы.
Имеется еще несколько важных обязанностей, ложащихся на ОС, которые трудно втиснуть в рамки традиционной классификации функций. К ним, прежде всего, относятся следующие.
Организация интерфейса с пользователем. Формы интерфейса могут быть разнообразными, в зависимости от типа и назначения ОС: язык управления пакетами заданий, набор диалоговых команд, средства графического интерфейса.
Защита данных. Как только система перестает быть достоянием одного изолированного от внешнего мира пользователя, вопросы защиты данных от несанкционированного доступа приобретают первостепенную важность. ОС, обеспечивающая работу в сети или в системе разделения времени, должна соответствовать имеющимся стандартам безопасности.
Ведение статистики. В ходе работы ОС должна собираться, храниться и анализироваться разнообразная информация: о количестве времени, затраченном различными программами и пользователями, об интенсивности использования ресурсов, о попытках некорректных действий пользователей, о сбоях оборудования и т.п. Собранная информация хранится в системных журналах и в учетных записях пользователей.
Для понимания работы ОС необходимо уметь выделять основные части системы и их связи, т.е. описывать структуру системы. Для разных ОС их структурное деление может быть весьма различным. Наиболее общими видами структуризации можно считать два. С одной стороны, можно считать, что ОС разделена на подсистемы, соответствующие перечисленным выше группам функций. Такое деление достаточно обосновано, программные модули ОС действительно в основном можно отнести к одной из этих подсистем. Другое важное структурное деление связано с понятием ядра системы.
Ядро, как можно понять из названия, это основная, «самая системная» часть операционной системы. Имеются разные определения ядра. Согласно одному из них, ядро - это резидентная часть системы, т.е. к ядру относится тот программный код, который постоянно находится в памяти в течение всей работы системы. Остальные модули ОС являются транзитными, т.е. подгружаются в память с диска по мере необходимости на время своей работы. К транзитным частям системы относятся:
утилиты (utilities) - отдельные системные программы, решающие частные задачи, такие как форматирование и проверку диска, поиск данных в файлах, мониторинг (отслеживание) работы системы и многое другое;
системные библиотеки подпрограмм, позволяющие прикладным программам использовать различные специальные возможности, поддерживаемые системой (например, библиотеки для графического вывода, для работы с мультимедиа и т.п.);
интерпретатор команд - программа, выполняющая ввод команд пользователя, их анализ и вызов других модулей для выполнения команд;
системный загрузчик - программа, которая при запуске ОС (например, при включении питания) обеспечивает загрузку системы с диска, ее инициализацию и старт;
другие виды программ, в зависимости от конкретной системы.
Не менее важным является определение ядра, основанное на различении режимов работы компьютера. Все современные процессоры поддерживают, как минимум, два режима: привилегированный режим (он же режим ядра, kernel mode) и непривилегированный (режим задачи, режим пользователя, user mode). Программы, работающие в режиме ядра, имеют полный, неограниченный доступ ко всем ресурсам компьютера: его командам, адресам, портам ввода/вывода и т.п. В режиме задачи возможности программы ограничены, она, в частности, не может выполнить некоторые специальные команды. Аппаратное разграничение возможностей является абсолютно необходимым условием реализации надежной защиты данных в многопользовательской системе. Отсюда вытекает и определение ядра как части ОС, работающей в режиме ядра. Все остальные программы, как системные утилиты, так и программы пользователей, работают в режиме пользователя и должны обращаться к ядру для выполнения многих системных действий.
Следует сказать, что переходы из режима пользователя в режим ядра и обратно - это действия, требующие определенного времени, и слишком частое их выполнение может привести к заметному снижению скорости работы программ. В связи с этим определение того, какие функции должны поддерживаться ядром, а какие лучше выполнять в режиме пользователя - это непростая и важная задача, которую должны решить разработчики ОС.
Особую роль в структуре системы играют драйверы устройств. Эти программы, предназначенные для обслуживания конкретных периферийных устройств, несомненно, можно отнести к ядру системы: они почти всегда являются резидентными и работают в режиме ядра. Но в отличие от самого ядра, которое изменяется только при появлении новой версии ОС, набор используемых драйверов весьма мобилен и зависит от набора устройств, подключенных к данному компьютеру. В некоторых системах (например, в ранних версиях UNIX) для подключения нового драйвера требовалось перекомпилировать все ядро. В большинстве современных ОС драйверы подключаются к ядру в процессе загрузки системы, а иногда разрешается даже загрузка и выгрузка драйверов в ходе работы системы.
В качестве программного интерфейса системы, т.е. средств для обращения прикладных программ к услугам ОС, используется документированный набор системных вызовов или функций API (Applied Programming Interface). Между этими двумя терминами есть некоторая разница. Под системными вызовами понимаются функции, реализуемые непосредственно программами ядра системы. При их выполнении происходит переход из режима пользователя в режим ядра, а затем обратно. В отличие от этого, API-функции определяются как функции, описанные в документации ОС, независимо от того, выполняются ли они ядром или же системными библиотеками, работающими в режиме пользователя. В Windows часто несколько разных API-функций обращаются к одному и тому же недокументированному системному вызову, но имеют различные обрамляющие части, работающие в режиме пользователя.
Там, где различие между двумя этими понятиями несущественно, можно использовать нейтральный термин «системные функции».
1.7 ОС, используемые в дальнейшем изложении
В следующих разделах курса будут рассматриваться основные функции ОС и способы их реализации. Изложение общих подходов будет дополняться примерами, относящимися главным образом к трем широко известным ОС:
MS-DOS - пример простой однозадачной системы;
Windows - сложная современная система, выросшая на базе MS-DOS;
UNIX - система, по возможностям сопоставимая с Windows, однако разительно отличающая по набору основных концепций и методам реализации.
1.7.1 MS-DOS
Система MS-DOS была разработана в 1981 г. специально для только что появившейся первой 16-разрядной ПЭВМ IBM PC на базе процессора i86. Первая версия системы была ужасна, но работоспособна. В последующие годы фирме Microsoft удалось значительно улучшить свою систему, хотя некоторые пережитки первой версии оказались неистребимы. Альянс с фирмой IBM позволил Microsoft добиться фантастического финансового успеха.
MS-DOS представляет собой однозадачную, однопользовательскую, диалоговую ОС. Она ведет диалог с пользователем в текстовом режиме и в большей степени рассчитана на обслуживание прикладных программ текстового режима, хотя допускает и графику. Работа с мышью должна обеспечиваться самими прикладными программами при минимальной поддержке со стороны ОС. Для размещения программы пользователя и для своих собственных нужд MS-DOS позволяет использовать 640 Кбайт памяти, что казалось огромной величиной в те незапамятные времена аккуратного программирования и полного отсутствия файлов AVI и MP3. Позднее были добавлены средства, позволяющие с некоторым усилием использовать до 4 Мб памяти.
Интерфейс MS-DOS с прикладными программами основан на вызовах программных прерываний, обрабатываемых системой. Бульшую часть этих прерываний принято называть функциями DOS.
Система MS-DOS явилась стартовой площадкой для создания Windows. В настоящее время MS-DOS тихо отмирает, хотя все версии Windows стараются обеспечить выполнение большей части программ, разработанных для их предшественницы.
В данном курсе MS-DOS рассматривается как наиболее жизненный пример простой и хорошо изученной однозадачной системы для сравнения с более мощными многозадачными системами.
1.7.2 Windows
Система Windows была первоначально разработана фирмой Microsoft как графическая оболочка, загружаемая поверх MS-DOS. Идеи GUI (Graphic User Interface - графический интерфейс пользователя) были впервые разработаны для экспериментальной машины Xerox PARC еще в 70-х гг., затем подхвачены в MacOS - операционной системе компьютера Macintosh, откуда и были с некоторыми ухудшениями позаимствованы в Windows. Версию Windows 1.0, вышедшую в 1985 г. и работавшую на 1 Мб памяти с неперекрывающимися окнами, принято рассматривать как интересную игрушку. Версия 2.0 (1987 г.) была более серьезна, а версии 3.0 и 3.1 (1990-1992 гг.), предназначенные для процессоров i386 и использующие до 16 Мб памяти, уже имели большой успех.
Все перечисленные версии продолжали оставаться надстройками над MS-DOS, использующими имеющуюся файловую систему, но добавляющие свое собственное управление процессами, памятью и устройствами. За счет этого комбинацию DOS + Windows можно было назвать многозадачной однопользовательской ОС с графическим интерфейсом пользователя.
В 1993 г. Microsoft выпустила Windows NT - полноценную многозадачную и многопользовательскую ОС, уже не основанную на MS-DOS. Однако, поскольку NT предъявляла повышенные требования к мощности процессора и объему памяти, в 1995 г. была выпущена компромиссная система Windows 95, предназначавшаяся для замены Windows 3.x у массового пользователя. Повышение скорости работы по сравнению с версией NT было достигнуто ценой отказа от многопользовательской защиты и ослабления надежности системы. В Windows 95 неаккуратно написанная прикладная программа может привести к краху системы, а в Windows NT система лучше изолирована от программ пользователя. В то же время, практически все корректно написанные программы могут переноситься из Windows 95 в Windows NT и наоборот.
Некоторое время две линии Windows развивались параллельно. Очередные версии Windows NT получили название Windows 2000, Windows XP, Windows 2003. Линия Windows 95 была продолжена непринципиально отличающимися от нее версиями Windows 98 и Windows ME, но дальше, видимо, развиваться не будет. Microsoft считает, что современный уровень производительности ПЭВМ снимает необходимость в облегченной версии системы.
Windows предоставляет в распоряжение прикладных программ несколько тысяч документированных API-функций на все случаи жизни.
Современная Windows - весьма мощная и чересчур сложная система, имеющая множество достоинств и недостатков, которые невозможно обсудить коротко. Отметим, что широкому распространению Windows, помимо особого положения фирмы Microsoft на рынке, способствует простота установки системы, позволяющая рядовому пользователю обойтись без помощи специалистов.
В дальнейшем изложении описание возможностей Windows будет в основном ориентировано на линию Windows NT/2000/XP.
1.7.3 UNIX
ОС UNIX была первоначально разработана в 1969 г. сотрудниками фирмы Bell Laboratories Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи. В 1971 г. система была перенесена на машины чрезвычайно распространенной в 70-е годы серии PDP-11, а в 1973 г. Ритчи переписал систему на языке C, оставив лишь минимум текста на языке ассемблера. В первое десятилетие существования UNIX и сама система, и ее исходные тексты распространялись свободно, что привело к чрезвычайной популярности системы в научных кругах и университетах. Усовершенствования системы могли вноситься каждым желающим и обсуждались «всем миром». Оборотной стороной такой открытости стала трудность стандартизации UNIX. Однако в 1988-1990 гг. был разработан набор стандартов, получивший название POSIX (Portable OS, а окончание IX - как намек на UNIX). Эти стандарты фиксировали современные требования к системам типа UNIX с учетом теоретических и практических достижений за прошедшие годы.
Начиная с первых версий, UNIX представляет собой многозадачную, многопользовательскую систему разделения времени. Основными достоинствами UNIX являются ее высокая мобильность, хорошо продуманный программный и пользовательский интерфейс. Общепризнанной особенностью UNIX является внутренняя красота, элегантность основных архитектурных решений. Как известно, красота программы является верным признаком ее удачной конструкции и дает основания надеяться, что программа способна к совершенствованию и будет служить долго. Многолетняя история UNIX подтверждает это правило.
К недостаткам UNIX можно отнести более низкую эффективность и надежность работы, что в значительной мере является платой за мобильность. Традиционная модель безопасности UNIX не соответствует современным требованиям, поэтому в различные коммерческие версии приходится включать дополнительные средства защиты данных. Широкому распространению UNIX мешает также то, что процедуры установки и настройки системы не так просты, как у Windows, и при их выполнении желательно участие программиста.
В 80-е годы были попытки превратить UNIX в коммерческую систему. Однако в 1991-1994 гг. Линус Торвальдс, в то время студент-программист из Хельсинки, заново написал систему, соответствующую стандартам POSIX, но отличающуюся от традиционной UNIX большей надежностью и эффективностью. Эта система получила название Linux. Исходные тексты Linux свободно распространяются, что позволяет, как во времена молодости UNIX, развивать систему общими усилиями огромного сообщества заинтересованных программистов. Эффективной координации этих усилий очень способствует Интернет. Несколько позднее был открыт свободный доступ к текстам известной версии UNIX FreeBSD.
Архитектура UNIX, первоначально предназначенная для систем разделения времени с одним процессором, впоследствии оказалась вполне подходящей для поддержки сетевых систем. Значительная часть серверов Интернета работает под управлением той или иной версии UNIX.
В настоящее время происходит ощутимое сближение разных типов ОС, предназначенных для поддержки одних и тех же типов вычислительных систем. Современные версии UNIX и Windows предоставляют весьма близкие функциональные возможности, хотя зачастую в совершенно разной форме. Выравниваются также характеристики надежности и производительности систем.
Существенным отличием UNIX от Windows остается место, занимаемое в системе средствами графического интерфейса. Если в Windows окна и все, что с ними связано, являются неотъемлемой частью архитектуры системы, то для UNIX по традиции основным средством интерфейса с пользователем является текстовая консоль. Те или иные средства оконного интерфейса, конечно, присутствуют в современных UNIX-системах, но как дополнительная, необязательная надстройка скорее прикладного, чем системного характера.
Очень интересной особенностью UNIX является развитый язык команд shell, который позволяет не только вести элементарный диалог с системой, но и писать своеобразные программы (скрипты), с помощью которых часто удается решить требуемую задачу, не прибегая к разработке новой программы на одном из традиционных языков программирования.
2. Управление устройствами
2.1 Основные задачи управления устройствами
Понятие периферийных устройств (ПУ) объединяет, по сути, все основные аппаратурные блоки компьютера, за исключением процессора и основной памяти. Характерными чертами современных вычислительных систем являются широкое разнообразие типов и моделей ПУ, а также быстрый прогресс технологий, приводящий к постоянному увеличению производительности устройств и к появлению дополнительных возможностей аппаратуры.
Важнейшими задачами любой ОС являются обеспечение надежной работы ПУ, эффективное использование всех возможностей устройств.
Для повышения надежности могут использоваться различные аппаратно-программные методы, такие как дублирование данных, использование помехозащищенных кодов, контрольных сумм данных и т.п. Процедуры выполнения операций с устройствами должны обеспечивать, как минимум, выявление аппаратных ошибок и сбоев, а как максимум - их компенсацию за счет избыточности данных и повторного выполнения операций.
Эффективность использования устройств означает прежде всего сокращение времени, затрачиваемого на обмен данными. Помимо повышения скорости обмена, сокращение времени может достигаться за счет распараллеливания работы ПУ и процессора. Мощным фактором повышения производительности системы является сокращение количества операций ввода/вывода за счет сохранения данных в памяти для последующего использования.
Большое разнообразие используемых устройств и постоянное появление новых моделей диктуют необходимость такой структуры системы, которая позволяла бы легкое подключение новых устройств. Широкое распространение получает технология «Plug & Play», т.е. возможность оперативного подсоединения устройств без выключения компьютера.
При всем разнообразии ОС должна обеспечивать максимально возможную стандартизацию работы с ними, чтобы изменения аппаратуры не приводили к необходимости постоянно модифицировать прикладное программное обеспечение.
К числу дополнительных задач, решаемых подсистемами управления устройствами современных ОС, можно отнести хранение данных в сжатом виде, шифрование данных и т.п.
Подобные документы
Проектирование ОС Windows 2000, ее архитектура. Процессы и потоки. Уровни запросов на прерывания. Менеджер объектов. Распределение виртуальной памяти. Трансляция виртуальных адресов в физические. Локальный вызов процедуры. Структура сообщения LPC.
презентация [1,5 M], добавлен 24.01.2014Сущность и принцип работы операционной системы, правила и преимущества ее использования. Возможности различных операционных систем, их сильные и слабые стороны. Сравнительная характеристика систем Unix и Windows NT, их потенциал и выполняемые задачи.
реферат [10,5 K], добавлен 09.10.2009Три группы компонентов в составе современной операционной системы: ядро (планировщик и драйверы устройств), системные библиотеки, оболочка с утилитами. Типы архитектур ядер операционных систем: монолитное, модульное, гибридное, микро-, экзо-, наноядро.
курсовая работа [22,1 K], добавлен 27.05.2014Важность операционной системы для мобильных устройств. Популярность операционных систем. Доля LINUX на рынке операционных систем. История OS Symbian, BlackBerry OS, Palm OS. Отличия смартфона от обычного мобильного телефона. Учет ограничений по памяти.
презентация [477,3 K], добавлен 01.12.2015Назначение и функции операционных систем компьютера. Аппаратные и программные ресурсы ЭВМ. Пакетные ОС. Системы с разделением времени: Multics, Unix. Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом: Windows, Linux, Macintosh. ОС для мобильных устройств.
курсовая работа [53,4 K], добавлен 05.12.2014Характеристика, функции, типы, виды и состав операционных систем. Первая коммерческая система unix system. Операционные системы, основанные на графическом интерфейсе, пи–система, семейство unix. История и основные предпосылки появления ОС Windows.
курсовая работа [66,9 K], добавлен 18.01.2011Основные классификации операционных систем. Операционные системы семейства OS/2, UNIX, Linux и Windows. Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы. Пользовательский интерфейс и сетевые операции. Управление оперативной памятью.
реферат [22,8 K], добавлен 11.05.2011Разграничение прав пользователя в операционной системе. Предварительная настройка операционной системы с последующей установкой драйверов для периферийных устройств и системных комплектующих. Классификация операционных систем и периферийных устройств.
реферат [2,1 M], добавлен 26.10.2022Основные понятия об операционных системах. Виды современных операционных систем. История развития операционных систем семейства Windows. Характеристики операционных систем семейства Windows. Новые функциональные возможности операционной системы Windows 7.
курсовая работа [60,1 K], добавлен 18.02.2012Эволюция и классификация ОС. Сетевые операционные системы. Управление памятью. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем. Семейство операционных систем UNIX. Сетевые продукты фирмы Novell. Сетевые ОС компании Microsoft.
творческая работа [286,2 K], добавлен 07.11.2007
