Операційні системи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розділ1. Основні поняття та визначення концепцій операційних систем

Лекція №1. Тема: поняття, призначення та класифікація операційних ситем

План:

1. Поняття операційної системи

2. Призначення операційної системи

3. Операційна система як розширена машина

4. Операційна система як розподілювач ресурсів

5. Історія розвитку операційних систем

6. Класифікація сучасних операційних систем

1. Поняття операційної системи

оперативний пам'ять операційний система

Причиною появи операційних систем була необхідність створення зручних у використанні комп'ютерних систем , що являють собою сукупність апаратного і програмного забезпечення комп'ютера. Вони призначені для розв'язання практичних задач користувачів. Оскільки робити це за допомогою лише апаратного забезпечення дуже складно і не зручно, тому що машинні команди дуже примітивні, а їхня рутинність виходить за межі можливостей людини, то були створені прикладні програми. Для таких програм знадобилися загальні операції керування апаратним забезпеченням, розподілу апаратних ресурсів тощо. Ці операції згрупували в рамках окремого рівня програмного забезпечення, який і стали називати операційною системою.

Далі можливості операційних систем вийшли далеко за межі базового набору операцій, необхідних прикладним програмам, але проміжне становище таких систем між прикладними програмами й апаратним забезпеченням залишилося незмінним. Можна дати таке визначення операційної системи.

Операційна система (ОС) -- це програмне забезпечення, що реалізує зв'язок між прикладними програмами й апаратними засобами комп'ютера.

2. Призначення операційної системи

Операційні системи забезпечують, по-перше, зручність використання комп'ютерної системи, по-друге, ефективність і надійність її роботи.

Перша функція ОС це реалізація розширеної машини замість реальної фізичної машини, друга - це розподіл апаратних ресурсів між усіма виконуваними програмами.

3. Операційна система як розширена машина

За допомогою операційної системи у прикладного програміста (а через його програми і в користувача) має створюватися враження, що він працює з розширеною машиною

Апаратне забезпечення комп'ютера недостатньо пристосоване до безпосереднього використання у програмах. Наприклад, для роботи із пристроями введення-виведення набір команд відповідних контролерів дуже обмежений, а для багатьох пристроїв - примітивний (є навіть вислів: «апаратне забезпечення потворне»). Операційна система приховує такий інтерфейс апаратного забезпечення, замість нього програмістові пропонують інтерфейс прикладного програмування (рис. 1.1), що використовує поняття вищого рівня (їх називають абстракціями).

Наприклад, при роботі з диском типовою абстракцією є файл. Працювати з файлами простіше, ніж безпосередньо з контролером диска (не потрібно враховувати переміщення головок дисковода, запускати й зупиняти мотор тощо), внаслідок цього програміст може зосередитися на суті свого прикладного завдання. За взаємодію з контролером диска відповідає операційна система.

Виділення абстракцій дає змогу досягти того, що код ОС і прикладних програм не потребуватиме зміни при переході на нове апаратне забезпечення. Наприклад, якщо встановити на комп'ютері дисковий пристрій нового типу (за умови, що він підтримується ОС), всі його особливості будуть враховані на рівні ОС, а прикладні програми продовжуватимуть використовувати файли, як і раніше. Така характеристика системи називається апаратною незалежністю. Можна сказати, що ОС надають апаратно-незалежне середовище для виконання прикладних програм.

4. Операційна система як розподілювач ресурсів

Одна із основних функцій ОС - це ефективний розподіл ресурсів. Під ресурсами розуміють процесорний час, дисковий простір, пам'ять, засоби доступу до зовнішніх пристроїв. Операційна система виступає в ролі менеджера цих ресурсів і надає їх прикладним програмам на вимогу.

Розрізняють два основні види розподілу ресурсів - просторовий і часовий. У разі просторового розподілу ресурс доступний декільком споживачам одночасно, при цьому кожен із них може користуватися частиною ресурсу (так розподіляється пам'ять). У разі часового розподілу система ставить споживачів у чергу і згідно з нею надає їм змогу користуватися всім ресурсом обмежений час (так розподіляється процесор в однопроцесорних системах).

При розподілі ресурсів ОС розв'язує можливі конфлікти, запобігає несанкціонованому доступу програм до тих ресурсів, на які вони не мають прав, забезпечує ефективну роботу комп'ютерної системи.



5. Історія розвитку операційних систем

Перші операційні системи з'явилися в 50-ті роки і були системами пакетної обробки. Такі системи забезпечували послідовне виконання програм у пакетному режимі (без можливості взаємодії з користувачем). У певний момент часу в пам'яті могла перебувати тільки одна програма (системи були однозадачними), усі програми виконувалися на процесорі від початку до кінця. За такої ситуації ОС розглядали просто як набір стандартних служб, необхідних прикладним програмам і користувачам.

Наступним етапом стала підтримка багатозадачності. У багатозадачних системах у пам'ять комп'ютера стали завантажувати кілька програм, які виконувалися на процесорі навперемінно. При цьому розвивалися два напрями: багатозадачна пакетна обробка і розподіл часу. У багатозадачній пакетній обробці завантажені програми, як і раніше, виконувалися в пакетному режимі. У режимі розподілу часу із системою могли працювати одночасно кілька користувачів, кожному з яких надавався діалоговий термінал (пристрій, що складається із клавіатури і дисплея).

Підтримка багатозадачності потребувала реалізації в ОС засобів координації задач. Можна виділити три складові частини такої координації.

Захист критичних даних задачі від випадкового або навмисного доступу інших задач.

Забезпечення обміну даними між задачами.

Надання задачам справедливої частки ресурсів (пам'яті, процесора, дискового простору тощо).

Ще одним етапом стала поява ОС персональних комп'ютерів. Спочатку ці системи, як і ОС першого етапу, були однозадачними й надавали базовий набір стандартних служб (на цьому етапі важливим було впровадження графічного інтерфейсу користувача). Подальший розвиток апаратного забезпечення дав змогу використати в таких системах засоби, розроблені для більших систем, насамперед багатозадачність і, як наслідок, координацію задач.

6. Класифікація сучасних операційних систем

Залежно від області застосування ОС діляться на ОС великих ЕОМ (мейнфреймів), серверні ОС, персональні ОС, ОС реального часу, вбудовані ОС.

Основною характеристикою апаратного забезпечення, для ОС великих ЕОМ (мейнфреймів) є продуктивність введення-виведення: великі ЕОМ оснащують значною кількістю периферійних пристроїв (дисків, терміналів, принтерів тощо). Такі комп'ютерні системи використовують для надійної обробки значних обсягів даних, при цьому ОС має ефективно підтримувати цю обробку (в пакетному режимі або в режимі розподілу часу). Прикладом ОС такого класу може бути OS/390 фірми IBM.

До наступної категорії можна віднести серверні ОС. Головна характеристика таких ОС - здатність обслуговувати велику кількість запитів користувачів до спільно використовуваних ресурсів. Важливу роль для них відіграє мережна підтримка. Є спеціалізовані серверні ОС, з яких виключені елементи, не пов'язані з виконанням їхніх основних функцій (наприклад, підтримка застосувань користувача). Нині для реалізації серверів частіше застосовують універсальні ОС (UNIX або системи лінії Windows ХР).

Наймасовіша категорія - персональні ОС. Деякі ОС цієї категорії розробляли з розрахунком на непрофесійного користувача (лінія Windows 95/98/Ме фірми Microsoft, які називають Consumer Windows), інші є спрощеними версіями універсальних ОС. Особлива увага в персональних ОС приділяється підтримці графічного інтерфейсу користувача і мультимедіа-технологій.

Виділяють також ОС реального часу. У такій системі кожна операція має бути гарантовано виконана в заданому часовому діапазоні. ОС реального часу можуть керувати польотом космічного корабля, технологічним процесом або демонстрацією відеороликів. Існують спеціалізовані ОС реального часу, такі як QNX і VxWorks.

Ще однією категорією є вбудовані ОС. До них належать керуючі програми для різноманітних мікропроцесорних систем, які використовують у військовій техніці, системах побутової електроніки, смарт-картах та інших пристроях. До таких систем ставлять особливі вимоги: розміщення в малому обсязі пам'яті, підтримка спеціалізованих засобів введення-виведення, можливість прошивання в постійному запам'ятовувальному пристрої. Часто вбудовані ОС розробляються під конкретний пристрій; до універсальних систем належать Embedded Linux і Windows СЕ.

Лекція №2. Тема: функціональні компоненти операційних систем

План:

1.Функціональні компоненти ОС

2.Керування процесами й потоками

3.Керування пам`ятю

4.Керування введенням - виведенням

5.Керування файлами та файлові системи

6.Мержні та розподілені системи

7.Безпека даних

8.Інтерфейс користувача

1. Операційну систему можна розглядати як сукупність функціональних компонентів кожен з яких відповідає за реалізацію певної функції системи. Основними функціями ОС є керування процесами й потоками, керування пам`яттю, керування введенням - виведенням, керування файлами та файлові системи, мережна підтримка, безпека даних, взаємодія з користувачем.

Спосіб побудови системи зі складових частин та їхній взаємозв'язок визначає архітектура операційної системи.

2. Однією з найважливіших функцій ОС є виконання прикладних програм. Код і дані прикладних програм зберігаються в комп'ютерній системі на диску в спеціальних виконуваних файлах. Після того як користувач або ОС вирішать запустити на виконання такий файл, у системі буде створено базову одиницю обчислювальної роботи, що називається процесом (process). Процес - це програма під час її виконання.

Операційна система розподіляє ресурси між процесами. До таких ресурсів належать процесорний час, пам'ять, пристрої введення-виведення, дисковий простір у вигляді файлів. При розподілі пам'яті з кожним процесом пов'язується його адресний простір - набір адрес пам'яті, до яких йому дозволено доступ. В адресному просторі зберігаються код і дані процесу. При розподілі дискового простору для кожного процесу формується список відкритих файлів, аналогічним чином розподіляють пристрої введення-виведення.

Процеси забезпечують захист ресурсів, якими вони володіють. Наприклад, до адресного простору процесу неможливо безпосередньо звернутися з інших процесів (він є захищеним), а при роботі з файлами може бути задано режим, що забороняє доступ до файла всім процесам, крім поточного.

Розподіл процесорного часу між процесами необхідний через те, що процесор виконує інструкції одну за одною, послідовно в часі (тобто в конкретний момент часу на ньому може фізично виконуватися тільки один процес), а для користувача процеси мають виглядати як послідовності інструкцій, виконувані паралельно. Щоб домогтися такого ефекту, ОС надає процесор кожному процесу на деякий короткий час, після чого перемикає процесор на інший процес; при цьому виконання процесів відновлюється з того місця, де їх було перервано. У багатопроцесорній системі процеси можуть виконуватися паралельно на різних процесорах.

Сучасні ОС крім багатозадачності можуть підтримувати багатопотоковість (multithreading), яка передбачає в рамках процесу наявність кількох окремих послідовностей інструкцій (потоків, threads), які для користувача виконуються паралельно, подібно до самих процесів в ОС. На відміну від процесів потоки не забезпечують захисту ресурсів (наприклад, вони спільно використовують адресний простір свого процесу).

3. Під час виконання програмного коду процесор бере інструкції й дані з оперативної (основної) пам'яті комп'ютера. При цьому така пам'ять відображається у вигляді масиву байтів, кожен з яких має адресу.

Основна пам'ять є одним із видів ресурсів, розподілюваних між процесами. ОС відповідає за виділення пам'яті під захищений адресний простір процесу і за вивільнення пам'яті після того, як виконання процесу буде завершено. Обсяг пам'яті, доступний процесу, може змінюватися в ході виконання, у цьому разі говорять про динамічний розподіл пам'яті.

ОС повинна забезпечувати можливість виконання програм, які окремо або в сукупності перевищують за обсягом доступну основну пам'ять. Для цього в ній має бути реалізована технологія віртуальної пам'яті. Така технологія дає можливість розміщувати в основній пам'яті тільки ті інструкції й дані процесу, які потрібні в поточний момент часу, при цьому вміст іншої частини адресного простору зберігається на диску.

Операційна система відповідає за керування пристроями введення-виведення, підключеними до комп'ютера. Підтримка таких пристроїв в ОС здійснюється на двох рівнях. До першого, нижчого, рівня належать драйвери пристроїв - програмні модулі, які керують пристроями конкретного типу з урахуванням усіх їхніх особливостей. До другого рівня належить універсальний інтерфейс введення-виведення, зручний для використання у прикладних програмах.

ОС має реалізовувати загальний інтерфейс драйверів введення-виведення, через який вони взаємодіють з іншими компонентами системи. Такий інтерфейс дає змогу спростити додавання в систему драйверів для нових пристроїв.

Сучасні ОС надають великий вибір готових драйверів для конкретних периферійних пристроїв. Що більше пристроїв підтримує ОС, то більше в неї шансів на практичне використання.

5. Для користувачів ОС і прикладних програмістів дисковий простір надається у вигляді сукупності файлів, організованих у файлову систему.

Файл - це набір даних у файловій системі, доступ до якого здійснюється за іменем. Термін «файлова система» може вживатися для двох понять: принципу організації даних у вигляді файлів, які доступні користувачеві і конкретного набору структур даних (зазвичай відповідної частини диска - розділу), організованих відповідно до такого принципу, які користувачеві недоступні. У рамках ОС може бути реалізована одночасна підтримка декількох файлових систем.

Файлові системи розглядають на логічному і фізичному рівнях. Логічний рівень визначає зовнішнє подання системи як сукупності файлів (які звичайно перебувають у каталогах), а також виконання операцій над файлами і каталогами (створення, вилучення тощо). Фізичний рівень визначає принципи розміщення структур даних файлової системи на диску або іншому пристрої.

6. Мережні системи це сучасні операційні системи, які пристосовані до роботи в мережі. Їх називають ме-режними операційними системами . Засоби мережної підтримки дають ОС можливість:

надавати локальні ресурси (дисковий простір, принтери тощо) у загальне користування через мережу, тобто функціонувати як сервер;

звертатися до ресурсів інших комп'ютерів через мережу, тобто функціонувати як клієнт.

Реалізація функціональності сервера і клієнта базується на транспортних засобах, відповідальних за передачу даних між комп'ютерами відповідно до правил, обумовлених мережними протоколами.

Мережні ОС не приховують від користувача наявність мережі, мережна підтримка в них не визначає структуру системи, а збагачує її додатковими можливостями. Є також розподілені ОС, які дають змогу об'єднати ресурси декількох комп'ютерів у розподілену систему. Вона виглядає для користувача як один комп'ютер з декількома процесорами, що працюють паралельно. Розподілені та багатопроцесорні системи є двома основними категоріями ОС, які використовують декілька процесорів і мають багато спільного.

7. Під безпекою даних в ОС розуміють забезпечення надійності системи (захист даних від втрати у разі збоїв) і захист даних від несанкціонованого доступу (випадкового чи навмисного).

Для захисту від несанкціонованого доступу ОС має забезпечувати наявність засобів аутентифікації користувачів (такі засоби дають змогу з'ясувати, чи є користувач тим, за кого себе видає; зазвичай для цього використовують систему паролів) та їхньої авторизації (дозволяють перевірити права користувача, що пройшов аутентифікацію, на виконання певної операції).

8. Розрізняють два типи засобів взаємодії користувача з ОС: командний інтерпретатор (shell) і графічний інтерфейс користувача (GUI).

Командний інтерпретатор дає змогу користувачам взаємодіяти з ОС, використовуючи спеціальну командну мову (інтерактивно або через запуск на виконання командних файлів). Команди такої мови змушують ОС виконувати певні дії (наприклад, запускати програми, працювати із файлами).

Графічний інтерфейс користувача надає йому можливість взаємодіяти з ОС, відкриваючи вікна і виконуючи команди за допомогою меню або кнопок. Підходи до реалізації графічного інтерфейсу доволі різноманітні: наприклад, у Windows-системах засоби його підтримки вбудовані в систему, а в UNIX вони є зовнішніми для системи і спираються на стандартні засоби керування введенням-виведенням.

Висновки до розділу 1.

Операційна система -- це рівень програмного забезпечення, що перебуває між рівнями прикладних програм й апаратного забезпечення комп'ютера. Головне її призначення -зробити використання комп'ютерної системи простішим і підвищити ефективність її роботи.

До основних функціональних компонентів ОС належать: керування процесами, керування пам'яттю, керування введенням-виведенням, керування файлами і підтримка файлових систем, мережна підтримка, забезпечення захисту даних, реалізація інтерфейсу користувача.

Контрольні запитання та завдання

Які основні функції операційної системи? Чи немає між ними протиріч?

Наведіть кілька прикладів просторового і часового розподілу ресурсів комп'ютера. Від чого залежить вибір того чи іншого методу розподілу?

У чому полягає основна відмінність багатозадачних пакетних систем від систем з розподілом часу? Як можна в рамках однієї системи об'єднати можливості обох зазначених систем?

Чому більшість вбудованих систем розроблено як системи реального часу? Наведіть приклади вбудованих систем, для яких підтримка режиму реального часу не є обов'язковою.

Що спільного й у чому відмінності між мережною і розподіленою операційними системами? Яка з них складніша в реалізації і чому?



Розділ2. Архітектура операційних систем

Лекція №1. Тема: базові поняття архітектури операційних систем

План:

1.Механізми і політика в ОС

2.Ядро системи та режими роботи процесора

3.Системне програмне забезпечення

4.Монолітні ОС

5.Багаторівневі ОС

6.Системи з мікроядром

7.Концепція віртуальних машин

1. Операційну систему можна розглядати як сукупність компонентів, кожен з яких відповідає за певні функції. Набір таких компонентів і порядок їхньої взаємодії один з одним та із зовнішнім середовищем визначається архітектурою операційної системи.

В ОС насамперед необхідно виділити набір фундаментальних можливостей, які надають її компоненти; ці базові можливості становлять механізм (mechanism). Механізми ОС можна використовувати по різному, отже спосіб використання механізму визначає політику (policy) ОС. Таким чином, механізм показує, що реалізовано компонентом, а політика - як це можна використати.

Коли за реалізацію механізму і політики відповідають різні компоненти (механізм відокремлений від політики), спрощується розробка системи і підвищується її гнучкість. Компонентам, що реалізують механізм, не повинна бути доступна інформація про причини та цілі його застосування; усе, що потрібно від них, - це виконувати призначену їм роботу. Для таких компонентів використовують термін «вільні від політики» (policy-free). Компоненти, відповідальні за політику, мають оперувати вільними від неї компонентами як будівельними блоками, для них недоступна інформація про деталі реалізації механізму.

Прикладом відокремлення механізму від політики є керування введенням-виведенням. Базові механізми доступу до периферійних пристроїв реалізують драйвери. Політику використання цих механізмів задає програмне забезпечення, що здійснює введення-виведення.

2. Базові компоненти ОС, які відповідають за найважливіші її функції, перебувають у пам'яті постійно і виконуються у привілейованому режимі, їх називають ядром операційної системи (operating system kernel).

До найважливіших функцій ОС, виконання яких покладають на ядро, належать обробка переривань, керування пам'яттю, керування введенням-виведенням. До надійності та продуктивності ядра висувають підвищені вимоги.

Основною характерною ознакою ядра є те, що воно виконується у привілейованому режимі. Особливості цього режиму полягають в тому, що для забезпечення ефективного керування ресурсами комп'ютера ОС повинна мати певні привілеї щодо прикладних програм. Треба, щоб прикладні програми не втручалися в роботу ОС, і водночас ОС повинна мати можливість втрутитися в роботу будь-якої програми, наприклад для перемикання процесора або розв'язання конфлікту в боротьбі за ресурси. Для реалізації таких привілеїв потрібна апаратна підтримка: процесор має підтримувати два режими роботи -- привілейований (захищений режим, режим ядра, kernel mode) і режим користувача (user mode). У режимі користувача недопустимі команди, які є критичними для роботи системи (перемикання задач, звертання до пам'яті за заданими межами, доступ до пристроїв введення-виведення тощо).

Після завантаження ядро перемикає процесор у привілейований режим і отримує повний контроль над комп'ютером. Кожне застосування запускається і виконується в режимі користувача, де воно не має доступу до ресурсів ядра й інших програм. Коли потрібно виконати дію, реалізовану в ядрі, застосування робить системний виклик (system call). Ядро перехоплює його, перемикає процесор у привілейований режим, виконує дію, перемикає процесор назад у режим користувача і повертає результат застосування.

Системний виклик виконується повільніше за виклик функції, реалізованої в режимі користувача, через те що процесор двічі перемикається між режимами. Для підвищення продуктивності в деяких ОС частина функціональності реалізована в режимі користувача, тому для доступу до неї системні виклики використовувати не потрібно.

3. Окрім ядра, важливими складовими роботи ОС є також застосування режиму користувача, які виконують системні функції. До такого системного програмного забезпечення належать:

системні програми (утиліти), наприклад: командний інтерпретатор, програми резервного копіювання та відновлення даних, засоби діагностики й адміністрування;

системні бібліотеки, у яких реалізовані функції, що використовуються у застосуваннях користувача.

Системне програмне забезпечення може розроблятися й постачатися окремо від ОС. Наприклад, може бути кілька реалізацій командного інтерпретатора, засобів резервного копіювання тощо. Системні програми і бібліотеки взаємодіють з ядром у такий самий спосіб, як і прикладні програми.

4. ОС, у яких усі базові функції сконцентровані в ядрі, називають монолітними системами. У разі реалізації монолітного ядра ОС стає продуктивнішою (процесор не перемикається між режимами під час взаємодії між її компонентами), але менш надійною (весь її код виконується у привілейованому режимі, і помилка в кожному з компонентів є критичною).

Монолітність ядра не означає, що всі його компоненти мають постійно перебувати у пам'яті. Сучасні ОС дають можливість динамічно розміщувати в адресному просторі ядра фрагменти його коду (модулі ядра). Реалізація модулів ядра дає можливість також досягти його розширюваності (для додання нової функціональності досить розробити і завантажити у пам'ять відповідний модуль).

5. Компоненти багаторівневих ОС утворюють ієрархію рівнів (шарів, layers), кожен з яких спирається на функції попереднього рівня. Найнижчий рівень безпосередньо взаємодіє з апаратним забезпеченням, на найвищому рівні реалізуються системні виклики.

У традиційних багаторівневих ОС передача керування з верхнього рівня на нижній реалізується як системний виклик. Верхній рівень повинен мати права на виконання цього виклику, перевірка цих прав виконується за підтримки апаратного забезпечення. Прикладом такої системи є ОС Multics, розроблена в 60-ті роки. Практичне застосування цього підходу сьогодні обмежене через низьку продуктивність.

Рівні можуть виділятися і в монолітному ядрі; у такому разі вони підтримуються програмно і ведуть до спрощення реалізації системи. У монолітном ядрі визначають рівні, перелічені нижче.

Засоби абстрагування від устаткування, які взаємодіють із апаратним забез печенням безпосередньо, звільняючи від такої взаємодії інші компоненти системи.

Базові засоби ядра, які відповідають за найфундаментальніші, найпростіші дії ядра, такі як запис блоку даних на диск. За допомогою цих засобів виконуються вказівки верхніх рівнів, пов'язані з керуванням ресурсами.

Засоби керування ресурсами (або менеджери ресурсів), що реалізують основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, введенням-виведенням тощо). На цьому рівні приймаються найважливіші рішення з керування ресурсами, які виконуються з використанням базових засобів ядра.

Інтерфейс системних викликів, який служить для реалізації зв'язку із системним і прикладним програмним забезпеченням.

Розмежування базових засобів ядра і менеджерів ресурсів відповідає відокремленню механізмів від політики в архітектурі системи. Базові засоби ядра визначають механізми функціонування системи, менеджери ресурсів реалізують політику.

6. Один із напрямів розвитку сучасних ОС полягає в тому, що у привілейованому режимі реалізована невелика частка функцій ядра, які є мікроядром (microkernel). Інші функції ОС виконуються процесами режиму користувача (серверними процесами, серверами). Сервери можуть відповідати за підтримку файлової системи, за роботу із процесами, пам'яттю тощо.

Мікроядро здійснює зв'язок між компонентами системи і виконує базовий розподіл ресурсів. Щоб виконати системний виклик, процес (клієнтський процес, клієнт) звертається до мікроядра. Мікроядро посилає серверу запит, сервер виконує роботу і пересилає відповідь назад, а мікроядро переправляє його клієнтові (рис. 2.1). Клієнтами можуть бути не лише процеси користувача, а й інші модулі ОС.

Перевагами мікроядрового підходу є:

невеликі розміри мікроядра, що спрощує його розробку й налагодження;

висока надійність системи, внаслідок того що сервери працюють у режимі користувача і в них немає прямого доступу до апаратного забезпечення;

більша гнучкість і розширюваність системи (непотрібні компоненти не займають місця в пам'яті, розширення функціональності системи зводиться до додавання в неї нового сервера);

можливість адаптації до умов мережі (спосіб обміну даними між клієнтом і сервером не залежить від того, зв'язані вони мережею чи перебувають на одному комп'ютері).

Головним недоліком мікроядрового підходу є зниження продуктивності. Замість двох перемикань режиму процесора у разі системного виклику відбувається чотири (два -- під час обміну між клієнтом і мікроядром, два - між сервером та мікроядром).

Зазначений недолік є, швидше, теоретичним, на практиці продуктивність і надійність мікроядра залежать насамперед від якості його реалізації. Так, в ОС QNX мікроядро займає кілька кілобайтів пам'яті й забезпечує мінімальний набір функцій, при цьому система за продуктивністю відповідає ОС реального часу.

7. У системах віртуальних машин програмним шляхом створюють копії апаратного забезпечення (відбувається його емуляція). Ці копії (віртуальні машини) працюють паралельно, на кожній із них функціонує програмне забезпечення, з яким взаємодіють прикладні програми і користувачі.

Уперше концепція віртуальних машин була реалізована в 70-ті роки в операційній системі VM фірми IBM. У СРСР варіант цієї системи (VM/370) був широко розповсюджений у 80-ті роки і мав назву Система віртуальних машин ЄС ЕОМ (СВМ ЄС). Ядро системи, яке називається монітором віртуальних машин (VM Monitor, МВМ), виконуєтьсяся на фізичній машині, безпосередньо взаємодіючи з її апаратним забезпеченням. Монітор (ситемна програма) забезпечує набір віртуальних машин (ВМ). Кожна ВМ є точною копією апаратного забезпечення, на ній може бути запущена будь-яка ОС, розроблена для цієї архітектури. Найчастіше на ВМ встановлювали спеціальну однокористувацьку ОС CMS (підсистема діалогової обробки, ПДО). На різних ВМ могли одночасно функціонувати різні ОС.

Коли програма, написана для ПДО, виконувала системний виклик, його перехоплювала копія ПДО, запущена на відповідній віртуальній машині. Потім ПДО виконувала відповідні апаратні інструкції, наприклад інструкції введення-виведення для читання диска. Ці інструкції перехоплював МВМ і перетворював їх на апаратні інструкції фізичної машини.

Віртуальні машини спільно використовували ресурси реального комп'ютера; наприклад, дисковий простір розподілявся між ними у вигляді віртуальних дисків, названих мінідисками. ОС, запущена у ВМ, використовувала мінідиски так само, як фізичні диски.

Лекція №2. Тема: операційна система та її оточення

План:

1.Взаємодія ОС і апаратного забезпечення

2.Засоби апаратної підтримки операційних систем

3.Апаратна незалежність і здатність до перенесення ОС

4.Взаємодія ОС і виконуваного програмного коду

5. Системні виклики та інтерфейс програмування застосувань

6.Програмна сумісність

1.Із означення ОС випливає, що вона реалізує зв'язок між апаратним забезпеченням комп'ютера (через інтерфейс апаратного забезпечення) і програмами користувача (через інтерфейс прикладного програмування). Інтерфейс апаратного забезпечення слід розуміти, як набір машинних команд центрального процесора та всіх контролерів зовнішніх пристроїв ситеми. Інтерфейс прикладного програмування це набір правил (команд, директив) для виклику системних функцій ОС в прикладну програму, що значно полегшує створення прикладних програм.

2.Сучасні апаратні архітектури комп'ютерів забезпечують базові засоби підтримки операційних систем. До них належать: система переривань, привілейований режим процесора, засоби перемикання задач, підтримка керування пам'яттю (механізми трансляції адрес, захист пам'яті), системний таймер, захист пристроїв введення-виведення, базова система введення-виведення (BIOS). Розглянемо ці засоби докладніше.

Система переривань є основним механізмом, що забезпечує функціонування ОС. За допомогою переривань процесор отримує інформацію про події, не пов'язані з його основною роботою. Переривання бувають двох типів: апаратні і програмні.

Апаратне переривання - це спеціальний сигнал (запит переривання, IRQ), що передається процесору від апаратного пристрою.

До апаратних переривань належать:

§ переривання введення-виведення, що надходять від контролера периферійного пристрою; наприклад, таке переривання генерує контролер клавіатури при натисканні на клавішу;

§ переривання, пов'язані з апаратними або програмними помилками (такі переривання виникають, наприклад, у разі збою контролера диска, доступу до забороненої області пам'яті або ділення на нуль).

Програмні переривання генерує прикладна програма, виконуючи спеціальну інструкцію переривання. Така інструкція є в системі команд більшості процесорів. Обробка програмних переривань процесором не відрізняється від обробки апаратних переривань.

Якщо переривання відбулося, то процесор негайно передає керування спеціальній процедурі - оброблювачеві переривання. Після виходу з оброблювача процесор продовжує виконання інструкцій перерваної програми. Розрізняють два типи переривань залежно від того, яка інструкція буде виконана після виходу з оброблювача: для відмов (faults) повторюється інструкція, що спричинила переривання, для пасток (traps) -- виконується наступна інструкція. Усі переривання введення-виведення і програмні переривання належать до категорії пасток, більшість переривань через помилки є відмовами.

За встановлення оброблювачів переривань зазвичай відповідає ОС. Можна сказати, що сучасні ОС керовані перериваннями (interrupt-driven), бо, якщо ОС не зайнята виконанням якої-небудь задачі, вона очікує на переривання, яке й залучає її до роботи.

Для реалізації привілейованого режиму процесора в одному з його регістрів передбачено спеціальний біт (біт режиму), котрий показує, у якому режимі перебуває процесор. У разі програмного або апаратного переривання процесор автоматично перемикається у привілейований режим, і саме тому ядро ОС (яке складається з оброблювачів переривань) завжди отримує керування в цьому режимі. За будь-якої спроби безпосередньо виконати привілейовану інструкцію в режимі користувача відбувається апаратне переривання.

Засоби перемикання задач дають змогу зберігати вміст регістрів процесора (контекст задачі) у разі припинення задачі та відновлювати дані перед її подальшим виконанням.

Механізм трансляції адрес забезпечує перетворення адрес пам'яті, з якими працює програма, в адреси фізичної пам'яті комп'ютера. Апаратне забезпечення генерує фізичну адресу, використовуючи спеціальні таблиці трансляції.

Захист пам'яті забезпечує перевірку прав доступу до пам'яті під час кожної спроби його отримати. Засоби захисту пам'яті інтегровані з механізмами трансляції адрес: у таблицях трансляції утримується інформація про права, необхідні для їхнього використання, і про ліміт (розміри ділянки пам'яті, до якої можна отримати доступ з їхньою допомогою). Неможливо одержати доступ до пам'яті поверх ліміту або за відсутності прав на використання таблиці трансляції.

Системний таймер є апаратним пристроєм, який генерує переривання таймера через певні проміжки часу. Такі переривання обробляє ОС; інформацію від таймера найчастіше використовують для визначення часу перемикання задач.

Захист пристроїв введення-виведення ґрунтується на тому, що всі інструкції введення-виведення визначені як привілейовані. Прикладні програми здійснюють введення-виведення не прямо, а за посередництвом ОС.

Базова система введення-виведення (BIOS) -- службовий програмний код, що зберігається в постійному запам'ятовувальному пристрої і призначений для ізоляції ОС від конкретного апаратного забезпечення. Зазначимо, що засоби BIOS не завжди дають змогу використати всі можливості архітектури: наприклад, процедури BIOS для архітектури ІА-32 не працюють у захищеному режимі. Тому сучасні ОС використовують їх тільки для початкового завантаження системи.

3.Компоненти ядра, які відповідають за безпосередній доступ до апаратного забезпечення, виділено в окремий рівень абстрагування від устаткування, що взаємодіє з іншою частиною системи через стандартні інтерфейси. Тим самим спрощується досягнення апаратної незалежності ОС.

Рівень абстрагування від устаткування відображає такі особливості архітектури, як число процесорів, типи їхніх регістрів, розрядність і організація пам'яті тощо. Що більше відмінностей між апаратними архітектурами, для яких призначена ОС, то складніша розробка коду цього рівня.

Крім рівня абстрагування від устаткування, від апаратного забезпечення залежать драйвери зовнішніх пристроїв. Такі драйвери проектують заздалегідь як апаратно-залежні, їх можна додавати та вилучати за потребою; для доступу до них зазвичай використовують універсальний інтерфейс.

Здатність до перенесення ОС визначається обсягом робіт, необхідних для того, щоб система могла працювати на новій апаратній платформі. ОС з такими властивостями має відповідати певним вимогам.

§ Більша частина коду операційної системи має бути написана мовою високого рівня (звичайно для цього використовують мови С і C++, компілятори яких розроблені для більшості архітектур). Використання мови асемблера допустиме лише тоді, коли продуктивність компонента є критичною для системи.

§ Код, що залежить від апаратного забезпечення (рівень абстрагування від устаткування) має бути відокремлений від іншої частини системи так, щоб у разі переходу на іншу архітектуру потрібно було переписувати тільки цей рівень.

4.У роботі в режимі користувача часто необхідне виконання дій, реалізованих у ядрі ОС (наприклад, під час запису на диск із прикладної програми). Для цього треба забезпечити взаємодію коду режиму користувача та ОС. Програмною основою такої взаємодії є системні виклики та інтерфейс програмування застосувань (АРІ).

5.Системний виклик - це засіб доступу до певної функції ядра операційної системи із прикладних програм. Набір системних викликів визначає дії, які ядро може виконати за запитом процесів користувача. Системні виклики задають інтерфейс між прикладною програмою і ядром ОС.

Розглянемо послідовність виконання системного виклику.

1. Припустимо, що для процесу, який виконується в режимі користувача, потрібна функція, реалізована в ядрі системи.

2. Для того щоб звернутися до цієї функції, процес має передати керування ядру ОС, для чого необхідно задати параметри виклику і виконати програмне переривання (інструкцію системного виклику). Відбувається перехід у привілейований режим.

3. Після отримання керування ядро зчитує параметри виклику і визначає, що потрібно зробити.

4. Після цього ядро виконує потрібні дії, зберігає в пам'яті значення, які слід повернути, і передає керування програмі, що його викликала. Відбувається перехід назад у режим користувача.

5. Програма зчитує з пам'яті повернені значення і продовжує свою роботу.

6. Кожний системний виклик спричиняє перехід у привілейований режим і назад (у мікроядровій архітектурі, як було зазначено вище, таких переходів може бути і більше).

Є два основних способи передачі параметрів у системний виклик.

§ передача параметрів у регістри процесора;

§ занесення параметрів у певну ділянку пам'яті й передача покажчика на неї в регістрі процесора.

Системні виклики призначені для безпосереднього доступу до служб ядра ОС. На практиці вони не вичерпують (а іноді й не визначають) ті функції, які можна використати у прикладних програмах. Для доступу до засобів системних бібліотек ОС використовують інтерфейс програмування застосувань (Application Programming Interface, API).

Взаємозв'язок між функціями АРІ і системними викликами неоднаковий у різних ОС.

По-перше, кожному системному виклику може бути поставлена у відповідність бібліотечна функція, єдиним завданням якої є виконання цього виклику. Таку функцію називають пакувальником системного виклику (system call wrapper). Для програміста в цьому разі набір функцій АРІ виглядає як сукупність таких пакувальників і додаткових функцій, реалізованих бібліотеками повністю або частково в режимі користувача. Це рішення прийняте за основу в UNIX; у такому разі прийнято говорити про використання системних викликів у прикладних програмах (насправді у програмах викликають пакувальники системних викликів).

По-друге, можна надати для використання у прикладних програмах універсальний інтерфейс програмування застосувань (АРІ режиму користувача) і повністю сховати за ним набір системних викликів. Для програміста кожна функція такого АРІ є бібліотечною функцією режиму користувача, пакувальника в цьому разі немає, відомості про системні виклики є деталями реалізації ОС. Це властиве Windows-системам, де подібний універсальний набір функцій називають Win32 АРІ .

6.Дотепер ми розглядали виконання в ОС програм, розроблених спеціально для неї. Іноді буває необхідно виконати в середовищі ОС програми, розроблені для інших ОС і, можливо, для іншої апаратної архітектури. У цьому разі виникає проблема програмної сумісності.

Програмна сумісність означає можливість виконувати в середовищі однієї операційної системи програми, розроблені для іншої ОС. Розрізняють сумісність на рівні вихідних текстів (можливість перенесення вихідних текстів) та бінарну сумісність (можливість перенесення виконуваного коду).

Для сумісності на рівні вихідних текстів необхідно, щоб для всіх ОС існувала реалізація компілятора мови і АРІ, що його використовує програма.

Сьогодні таку сумісність забезпечує стандартизація розробки програмного забезпечення, а саме:

§ наявність стандарту на мови програмування (насамперед на С і C++) і стандартних компіляторів;

§ наявність стандарту на інтерфейс операційної системи (АРІ).

Робота зі стандартизації інтерфейсу операційних систем відбувається у рамках проекту POSIX (Portable Operating System Interface). Найбільш важливим стандартом є POSIX 1003.1 , який описує набір бібліотечних процедур (таких, як відкриття файла, створення нового процесу тощо), котрі мають бути реалізовані в системі. Цей процес стандартизації триває дотепер, останньою редакцією стандарту є базова специфікація Open Group/IEEE . Зазначені стандарти відображають традиційний набір засобів, реалізованих в UNIX-сумісних системах.

Завдання забезпечення бінарної сумісності виникає тоді, коли потрібно запустити на виконання файл прикладної програми у середовищі іншої операційної системи. Таке завдання значно складніше в реалізації, найпоширеніший підхід до його розв'язання - емуляція середовища виконання. У цьому разі програма запускається під керуванням іншої програми -- емулятора, який забезпечує динамічне перетворення інструкцій програми в інструкції потрібної архітектури. Прикладом такого емулятора є програма wine, яка дає можливість запускати програми, розроблені для Win32 АРІ, у середовищі Linux через емуляцію функцій Win32 АРІ системними викликами Linux.

Лекція №3. Тема: особливості архітектури: UNIX I Linux

План:

1.Базова архітектура UNIX

2.Архітектура Linux: призначення ядра Linux та його особливості, модулі ядра, особливості системних бібліотек, застосування користувача

1.UNIX є прикладом досить простої архітектури ОС. Більша частина функціональності цієї системи міститься в ядрі, ядро спілкується із прикладними програмами за допомогою системних викликів.

Cистема складається із трьох основних компонентів: підсистеми керування процесами, файлової підсистеми та підсистеми введення-виведення.

Підсистема керування процесами контролює створення та вилучення процесів, розподілення системних ресурсів між ними, міжпроцесову взаємодію, керування пам'яттю.

Файлова підсистема забезпечує єдиний інтерфейс доступу до даних, розташованих на дискових накопичувачах, і до периферійних пристроїв. Такий інтерфейс є однією з найважливіших особливостей UNIX. Одні й ті самі системні виклики використовують як для обміну даними із диском, так і для виведення на термінал або принтер (програма працює із принтером так само, як із файлом). При цьому файлова система переадресовує запити відповідним модулям підсистеми введення-виведення, а ті - безпосередньо периферійним пристроям. Крім того, файлова підсистема контролює права доступу до файлів, які значною мірою визначають привілеї користувача в системі.

Підсистема введення-виведення виконує запити файлової підсистеми, взаємодіючи з драйверами пристроїв. В UNIX розрізняють два типи пристроїв: символьні (наприклад, принтер) і блокові (наприклад, жорсткий диск). Основна відмінність між ними полягає в тому, що блоковий пристрій допускає прямий доступ. Для підвищення продуктивності роботи із блоковими пристроями використовують буферний кеш - ділянку пам'яті, у якій зберігаються дані, зчитані з диска останніми. Під час наступних звертань до цих даних вони можуть бути отримані з кеша.

Сучасні UNIX-системи дещо відрізняються за своєю архітектурою.

У них виділено окремий менеджер пам'яті, відповідальний за підтримку віртуальної пам'яті.

Стандартом для реалізації інтерфейсу файлової системи є віртуальна файлова система, що абстрагує цей інтерфейс і дає змогу організувати підтримку різних типів файлових систем.

У цих системах підтримується багатопроцесорна обробка, а також багатопото-ковість.

Базові архітектурні рішення, такі як доступ до всіх пристроїв введення-виведення через інтерфейс файлової системи або організація системних викликів, залишаються незмінними в усіх реалізаціях UNIX.

2. В ОС Linux можна виділити три основні частини:

§ ядро, яке реалізує основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, вве-денням-виведенням тощо);

§ системні бібліотеки, що визначають стандартний набір функцій для використання у застосуваннях (виконання таких функцій не потребує переходу в привілейований режим);

§ системні утиліти (прикладні програми, які виконують спеціалізовані задачі).

Призначення ядра Linux і його особливості

Linux реалізує технологію монолітного ядра. Весь код і структури даних ядра перебувають в одному адресному просторі. У ядрі можна виділити кілька функціональних компонентів [63].

§ Планувальник процесів - відповідає за реалізацію багатозадачності в системі (обробка переривань, робота з таймером, створення і завершення процесів, перемикання контексту).

§ Менеджер пам'яті - виділяє окремий адресний простір для кожного процесу і реалізує підтримку віртуальної пам'яті.

§ Віртуальна файлова система - надає універсальний інтерфейс взаємодії з різними файловими системами та пристроями введення-виведення.

§ Драйвери пристроїв - забезпечують безпосередню роботу з периферійними пристроями. Доступ до них здійснюється через інтерфейс віртуальної файлової системи.

§ Мережний інтерфейс - забезпечує доступ до реалізації мережних протоколів і драйверів мережних пристроїв.

§ Підсистема міжпроцесової взаємодії - пропонує механізми, які дають змогу різним процесам у системі обмінюватися даними між собою.

Деякі із цих підсистем є логічними компонентами системи, вони завантажуються у пам'ять разом із ядром і залишаються там постійно. Компоненти інших підсистем (наприклад, драйвери пристроїв) вигідно реалізовувати так, щоб їхній код міг завантажуватися у пам'ять на вимогу. Для розв'язання цього завдання Linux підтримує концепцію модулів ядра.

Модулі ядра

Ядро Linux дає можливість на вимогу завантажувати у пам'ять і вивантажувати з неї окремі секції коду. Такі секції називають модулями ядра (kernel modules) і виконують у привілейованому режимі. Модулі ядра надають низку переваг.

§ Код модулів може завантажуватися в пам'ять у процесі роботи системи, що спрощує налагодження компонентів ядра, насамперед драйверів.

§ З'являється можливість змінювати набір компонентів ядра під час виконання: ті з них, які в цей момент не використовуються, можна не завантажувати у пам'ять.

§ Модулі є винятком із правила, за яким код, що розширює функції ядра, відповідно до ліцензії Linux має бути відкритим. Це дає змогу виробникам апаратного забезпечення розробляти драйвери під Linux, навіть якщо не заплановано надавати доступ до їхнього вихідного коду.

§ Підтримка модулів у Linux складається із трьох компонентів.

§ Засоби керування модулями дають можливість завантажувати модулі у пам'ять і здійснювати обмін даними між модулями та іншою частиною ядра.

§ Засоби реєстрації драйверів дозволяють модулям повідомляти іншу частину ядра про те, що новий драйвер став доступним.

§ Засоби розв'язання конфліктів дають змогу драйверам пристроїв резервувати апаратні ресурси і захищати їх від випадкового використання іншими драйверами.

Один модуль може зареєструвати кілька драйверів, якщо це потрібно (наприклад, для двох різних механізмів доступу до пристрою).

Модулі можуть бути завантажені заздалегідь -- під час старту системи (завантажувальні модулі) або у процесі виконання програми, яка викликає їхні функції. Після завантаження код модуля перебуває в тому ж самому адресному просторі, що й інший код ядра. Помилка в модулі є критичною для системи.

Особливості системних бібліотек

Системні бібліотеки Linux є динамічними бібліотеками, котрі завантажуються у пам'ять тільки тоді, коли у них виникає потреба. Вони виконують ряд функцій:

§ реалізацію пакувальників системних викликів;

§ розширення функціональності системних викликів (до таких бібліотек належить бібліотека введення-виведення мови С, яка реалізує на основі системних викликів такі функції, як prlntf ( ) );

§ реалізацію службових функцій режиму користувача (сортування, функції обробки рядків тощо).

Застосування користувача

Застосування користувача в Linux використовують функції із системних бібліотек і через них взаємодіють із ядром за допомогою системних викликів.

Лекція №4. Тема: особливості архітектури: Windows XP

План:

1.Компоненти режиму ядра Windows XP: рівень абстрагування від устаткування, ядро, виконавча система, драйвери пристроїв, віконна і графічна підсистеми

2.Компоненти режиму користувача: бібліотека системного інтерфейсу, підсистеми середовища,наперед визначені системні процеси, застосування користувача

3.Об`єктна архітектура Windows XP: структура заголовка об`акта, об`єкти типу, методи об`єктів, простір імен об`єктів

1.Деякі компоненти Windows ХР виконуються у привілейованому режимі, інші компоненти - у режимі користувача.

У традиційному розумінні ядро ОС складають усі компоненти привілейованого режиму, однак у Windows ХР поняття ядра закріплене тільки за одним із цих компонентів.

Рівень абстрагування від устаткування

У Windows ХР реалізовано рівень абстрагування від устаткування (у цій системі його називають HAL, hardware abstraction layer). Для різних апаратних конфігурацій фірма Microsoft або сторонні розробники можуть постачати різні реалізації HAL.

Хоча код HAL є дуже ефективним, його використання може знижувати продуктивність застосувань мультимедіа. У такому разі використовують спеціальний пакет DirectX, який дає змогу прикладним програмам звертатися безпосередньо до апаратного забезпечення, обминаючи HAL та інші рівні системи.

Ядро

Ядро Windows ХР відповідає за базові операції системи. До його основних функцій належать:

§ перемикання контексту, збереження і відновлення стану потоків;

§ планування виконання потоків;

§ реалізація засобів підтримки апаратного забезпечення, складніших за засоби HAL (наприклад, передача керування оброблювачам переривань).

Ядро Windows ХР відповідає базовим службам ОС і надає набір механізмів для реалізації політики керування ресурсами.

Основним завданням ядра є якомога ефективніше завантаження процесорів системи. Ядро постійно перебуває в пам'яті, послідовність виконання його інструкцій може порушити тільки переривання (під час виконання коду ядра багатозадачність не підтримується). Для прискорення роботи ядро ніколи не перевіряє правильність параметрів, переданих під час виклику його функцій.

Windows ХР не можна віднести до якогось певного класу ОС. Хоча за функціональністю ядро системи відповідає поняттю мікроядра, для самої ОС не характерна класична мікроядрова архітектура, оскільки у привілейованому режимі виконуються й інші її компоненти.

Виконавча система

Виконавча система (ВС) Windows ХР (Windows ХР Executive) - це набір компонентів, відповідальних за найважливіші служби ОС (керування пам'яттю, процесами і потоками, введенням-виведенням тощо).

Компонентами ВС є передусім базові засоби підтримки. Ці засоби використовують у всій системі.

Менеджер об'єктів -- відповідає за розподіл ресурсів у системі, підтримуючи їхнє універсальне подання через об'єкти.

Засіб локального виклику процедур (LPC) -- забезпечує механізм зв'язку між процесами і підсистемами на одному комп'ютері.

Інші компоненти ВС реалізують найважливіші служби Windows ХР. Зупинимося на деяких із них.