Операционные системы реального времени (ОСРВ): понятие и виды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Негосударственное образовательное учреждение высшего образования

Московский технологический институт

Факультет: Техники и современных технологий

Кафедра: Информатики и автоматизации

Уровень образования: бакалавриат

Направление: Информатика и вычислительная техника (Управление в технических системах)

Реферат

по дисциплине: «Система реального времени»

Операционные системы реального времени (ОСРВ): понятие и виды

Выполнил (а):

Студент (ка) 5 курса

Форма обучения: заочная

Коротких Е.С.

Проверил:

Преподаватель

Фролов Александр Львович

Оренбург 2017



Оглавление

операционный программа дисковый вычислительный

Введение

Глава 1. Операционные системы реального времени (ОСРВ)

1.1 Что такое система реального времени

1.2 Архитектуры ОСРВ

Глава 2. Понятие операционной системы и ее назначение

2.1 Понятие операционной системы

2.2 Состав операционной системы и назначение компонент

2.3 Организация дискового пространства

Вывод

Список использованной литературы

Приложение



Введение

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с задачами, требующими управления сложными процессами или оборудованием при помощи ЭВМ. При этом все события в этих процессах происходят тогда, когда они происходят. Компьютер же может выполнять лишь конечное число операций в конечное время, поэтому возникает вопрос: а успеет ли компьютер с нужной скоростью обсчитать ситуацию и выдать конкретные управляющие действия, которые были бы адекватны именно в определенный момент времени. На мой взгляд, проблемы подобного рода возникли из-за использования очень больших скоростей в современном производстве. Ясно, что сигналы в природе распространяются с конечной скоростью, скорость работы тоже конечна, поэтому мгновенных действий (вызванных неким событием) от компьютера ожидать принципиально невозможно. Ведь каким бы современным (читай - мощным по производительности, т.е. высокой скоростью обработки команд и операций) компьютер бы ни был - ему физически нужны хотя бы доли секунды, чтобы выполнить небольшую простую группу команд, а иногда этого времени слишком много. Таким образом, время реакции системы на некоторое событие строго больше нуля. Реальные задачи допускают некоторого запаздывания действий, и если система имеет время реакции меньше, чем эта допустимая задержка, то ее справедливо называть системой реального времени. Так как в природе разные процессы протекают с разной скоростью, одна и та же система может укладываться в заданные рамки для одного процесса и не укладываться для другого. Таким образом, о системе реального времени имеет смысл говорить применительно к конкретной задаче. Например, чтобы построить зависимость средней температуры воздуха за день от дня недели в качестве системы реального времени сойдет практически любой компьютер с практически любым ПО. Если же мы управляем посадкой самолета, где существенную роль играют миллисекунды, было бы более правильно внимательно выбирать аппаратное и программное обеспечение.

Основой любого аппаратно-программного комплекса, в том числе работающего в режиме реального времени, является операционная система (ОС). Операционной системой называют комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами аппаратно-программного комплекса (вычислительной системы) и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях. Ресурсом в данном контексте является любой логический или физический (и в совокупности) компонент вычислительной системы или аппаратно-программного комплекса и предоставляемые им возможности.

Основными ресурсами являются процессор (процессорное время), оперативная память и периферийные устройства.

Управление ресурсами сводится к выполнению следующих задач: упрощение доступа к ресурсам, распределение их между процессами.

Решение первой задачи позволяет "спрятать" аппаратные особенности вычислительной системы, и тем самым предоставить в распоряжение пользователю или программисту виртуальную машину с существенно облегченным управлением. Таким образом, ОС поддерживает следующие интерфейсы: пользовательский (командный язык для управления функционированием системы и набор сервисных услуг); программный (набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций). Функция распределения ресурсов является одной из наиболее важных задач, решаемых ОС, однако она присуща не всем ОС, а только тем, которые обеспечивают одновременное выполнение нескольких программ (процессов).

В настоящее время пользователям предлагается большой выбор ОСРВ различных производителей, которые отличаются по своим технико- экономическим характеристикам. В последнем обзоре "Real-Time Magazine" (NN 2-3,97) было упомянуто около шестидесяти систем.

Приведены технические характеристики некоторых из них. ОСРВ еще больше, если иметь в виду некоммерческие операционные системы реального времени. Однако сама специфика применения операционных систем реального времени требует гарантий надежности, причем гарантий в том числе и юридических - этим, видимо, можно объяснить тот факт, что среди некоммерческих систем реального времени нет сколько-нибудь популярных. 4 Среди коммерческих систем реального времени можно выделить группу ведущих систем - по объемам продаж и по популярности. Эти системы: VxWorks, OS9, pSOS, LynxOS, QNX, VRTX. Выбор ОСРВ для конкретного применения является очень важным. Для этой цели необходимо провести анализ предметной области ОСРВ, дать основополагающие определения и развернутые толкования отдельных терминов, рассмотреть структуру ОСРВ и выделить наиболее распространенные и общепризнанные.

Актуальность исследования обусловлена потребностью улучшения операционных систем для повышения качества работы пользователя с ЭВМ, делая её, более простой, и освобождая его от обязанностей распределять ресурсы и управлять ими.

Объект исследования - операционные системы.

Предмет исследования - эффективные технологии, научные труды ученых и программистов, применяемые пользователем в работе над операционной системой.

Цель исследования - заключается в представлении наиболее распространенных ОС и более удобных для общения пользователя с ПК.

Задачи исследования:

1. Изучить характеристику ОС.

2. Определить последовательность ОС.

3. Составить классификацию развития ОС.

4. Проанализировать современные ОС и выявить их недостатки и достоинства.



Глава 1. Операционные системы реального времени (ОСРВ)

1.1 Что такое система реального времени

Операционные системы реального времени (ОСРВ) предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность (timeliness) выполнения обработки данных.

В качестве основного требования к ОСРВ выдвигается требование обеспечения предсказуемости или детерминированности поведения системы в наихудших внешних условиях, что резко отличается от требований к производительности и быстродействию универсальных ОС. Хорошая ОСРВ имеет предсказуемое поведение при всех сценариях системной загрузки (одновременные прерывания и выполнение потоков).

Существует некое различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

Принято различать системы мягкого (soft) и жесткого (hard) реального времени. В системах жесткого реального времени неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время ведет к отказам и невозможности выполнения поставленной задачи. В большинстве русскоязычной литературы такие системы называют системами с детерминированным временем. При практическом применении время реакции должно быть минимальным. Системами мягкого реального времени называются системы, не попадающие под определение "жесткие", т.к. в литературе четкого определения для них пока нет. Системы мягкого реального времени могут не успевать решать задачу, но это не приводит к отказу системы в целом. В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока (в англоязычной литературе - deadline), до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени - желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на выполнение.

Система реального времени - тип операционной системы, основное назначение которой -- предоставление необходимого и достаточного набора функций, обеспечивающих разработку программными средствами систем реального времени на конкретном аппаратном оборудовании.

Система называется системой реального времени, если правильность ее функционирования зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся. То есть для событий, происходящих в такой системе, то, когда эти события происходят, так же важно, как логическая корректность самих событий.

Система реального времени (СРВ) - это система, правильность функционирования которой зависит не только от логической корректности вычислений, но и от времени, за которое эти вычисления производятся.

Для событий, происходящих в такой системе, важно время, когда эти события происходят, и их логическая корректность.

Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления (имеются в виду процессы, непосредственно связанные с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени). Система управления должна собрать данные, произвести их обработку по заданным алгоритмам и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное выполнение поставленных задач.

Мартин Тиммерман сформулировал следующие необходимые требования для ОСРВ:

? ОСРВ должна быть многозадачной и допускающей вытеснение (preemptable),

? ОСРВ должна обладать понятием приоритета для потоков,

? ОСРВ должна поддерживать предсказуемые механизмы синхронизации,

? ОСРВ должна обеспечивать механизм наследования приоритетов,

? поведение ОСРВ должно быть известным и предсказуемым (задержки обработки прерываний, задержки переключения задач, задержки драйверов и т.д.); это значит, что во всех сценариях рабочей нагрузки системы должно быть определено максимальное время отклика.

Общие характеристики ОСРВ:

? большие и сложные системы;

? распределенные системы;

? жесткое взаимодействие с аппаратурой;

? выполнение задач зависит от времени;

? сложность тестирования.

ОСРВ должны реагировать на различные типы внутренних и внешних событий (периодических и непериодических). Необходимо отметить, что принадлежность системы к классу ОСРВ никак не связана с ее быстродействием. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Интуитивно понятно, что быстродействие ОСРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени.

Системой жесткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи.

Многие теоретики ставят здесь точку, из чего следует, что время реакции в жестких системах может составлять и секунды, и часы, и недели.

Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах жесткого реального времени должно быть все-таки минимальным.

Большинство систем жесткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как к ним предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

Точного определения мягкого реального времени не существует, поэтому можно отнести сюда все ОСРВ, не подпадающие в категорию жестких. Так, система мягкого реального времени может не успевать все делать в заданное время, поэтому возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования.

Кроме того, ОСРВ можно разделить на системы специализированные и универсальные.

Специализированная ОСРВ - система, где конкретные временные требования априори определены.

Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований.

Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее неопределенные) временные задачи без применения специальной техники.

Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно требования, предъявляемые к таким системам мягче, чем требования к специализированным системам.

Для более детального рассмотрения возможностей ОСРВ представлены ориентировочные цифры, дающее представление о порядке времен реакции и подходящих операционных системах (табл. 1). Данная таблица сформирована на основании экспериментальных данных, полученных на базе вычислительных комплексов, построенных на основе процессоров Intel 80486DX.

Концепция многозадачности (псевдопараллелизм) является существенной для системы реального времени с одним процессором, приложения которой должны быть способны обрабатывать многочисленные внешние события, происходящие практически одновременно. Концепция процесса, пришедшая из мира UNIX, плохо реализуется в многозадачной системе, поскольку процесс имеет тяжелый контекст. Возникает понятие потока (thread), который понимается как подпроцесс, или легковесный процесс (light-weight process). Потоки существуют в одном контексте процесса, поэтому переключение между потоками происходит очень быстро, а вопросы безопасности не принимаются во внимание. Потоки являются легковесными, потому что их регистровый контекст меньше, т.е. их управляющие блоки намного компактнее. Уменьшаются накладные расходы, вызванные сохранением и восстановлением управляющих блоков прерываемых потоков. Объем управляющих блоков зависит от конфигурации памяти. Если потоки выполняются в разных адресных пространствах, система должна поддерживать отображение памяти для каждого набора потоков.

Итак, в системах реального времени процесс распадается на задачи или потоки. В любом случае каждый процесс рассматривается как приложение. Между этими приложениями не должно быть слишком много взаимодействий, и в большинстве случаев они имеют различную природу - жесткого реального времени, мягкого реального времени, не реального времени.

В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса кода в верхние уровни и удалении при этом всего, что только возможно, из режима ядра, оставляя минимальное микроядро. Обычно это осуществляется перекладыванием выполнения большинства задач операционной системы на средства пользовательских процессов.

Получая запрос на какую-либо операцию, например, чтение блока файла, пользовательский процесс (теперь называемый обслуживаемым процессом или клиентским процессом) посылает запрос серверному (обслуживающему) процессу, который его обрабатывает и высылает назад ответ.

Благодаря разделению операционной системы на части, каждая из которых управляет всего одним элементом системы (файловой системой, процессами, терминалом или памятью), все части становятся маленькими и управляемыми.

К тому же, поскольку все серверы работают как процессы в режиме пользователя, а не в режиме ядра, они не имеют прямого доступа к оборудованию. Поэтому если происходит ошибка на файловом сервере, может разрушиться служба обработки файловых запросов, но это обычно не приводит к остановке всей машины целиком.

Другое преимущество модели клиент-сервер заключается в ее простой адаптации к использованию в распределенных системах. Если клиент общается с сервером, посылая ему сообщения, клиенту не нужно знать, обрабатывается ли его сообщение локально на его собственной машине, или оно было послано по сети серверу на удаленной машине. С точки зрения клиента происходит одно и то же в обоих случаях: запрос был послан и на него получен ответ.

Рассказанная выше история о ядре, управляющем передачей сообщений от клиентов к серверам и назад, не совсем реалистична. Некоторые функции операционной системы, такие как загрузка команд в регистры физических устройств ввода/вывода, трудно, если вообще возможно, выполнить из программ в пространстве пользователя. Есть два способа разрешения этой проблемы.

Первый заключается в том, что некоторые критические серверные процессы (например, драйверы устройств ввода/вывода) действительно запускаются в режиме ядра, с полным доступом к аппаратуре, но при этом общаются с другими процессами при помощи обычной схемы передачи сообщений.

Второй способ состоит в том, чтобы встроить минимальный механизм обработки информации в ядро, но оставить принятие политических решений за серверами в пользовательском пространстве. Например, ядро может опознавать сообщения, посланные по определенным адресам. Для ядра это означает, что нужно взять содержимое сообщения и загрузить его, скажем, в регистры ввода/ вывода некоторого диска для запуска операции чтения диска.

В этом примере ядро даже может не обследовать байты сообщения, если они оказались допустимы или осмысленны; оно может вслепую копировать их в регистры диска. (Очевидно, должна использоваться некоторая схема, ограничивающая круг процессов, имеющих право отправлять подобные сообщения).

Компании Microsoft и Apple Inc. являются наиболее популярными производителями операционных систем и программного обеспечения к ним в современном мире.

Современные операционные системы от Microsoft:

Windows XP (Windows NT 5.1)

Windows Vista (Windows NT 6.0)

Windows 7 (Windows NT 6.1)

Windows 8 (Windows NT 6.2)

Windows 10 (Windows NT 10)

Современные операционные системы от Apple Inc:

Mac OS 10.0

Mac OS 10.1

Mac OS 10.2

Mac OS 10.3

Mac OS 10.4

Mac OS 10.5

Mac OS 10.6

Mac OS 10.7

Mac OS 10.8

Mac OS 10.9

Современные мобильные операционные системы:

Symbian OS

Windows Mobile

Linux-системы (Android)

Palm OS

iPhone OS

BlackBerry OS

Отличия от операционных систем общего назначения

Ключевым отличием сервисов ядра ОСРВ является детерминированный, основанный на строгом контроле времени, характер их работы. В данном случае под детерминированностью понимается то, что для выполнения одного сервиса операционной системы требуется временной интервал заведомо известной продолжительности. Теоретически это время может быть вычислено по математическим формулам, которые должны быть строго алгебраическими и не должны включать никаких временных параметров случайного характера. Любая случайная величина, определяющая время выполнения задачи в ОСРВ, может вызвать нежелательную задержку в работе приложения, тогда следующая задача не уложится в свой квант времени, что послужит причиной для ошибки.

В этом смысле операционные системы общего назначения не являются детерминированными. Их сервисы могут допускать случайные задержки в своей работе, что может привести к замедлению ответной реакции приложения на действия пользователя в заведомо неизвестный момент времени. При проектировании обычных операционных систем разработчики не акцентируют своё внимание на математическом аппарате вычисления времени выполнения конкретной задачи и сервиса. Это не является критичным для подобного рода систем.

1.2 Архитектуры ОСРВ

За свою историю архитектура операционных систем претерпела значительное развитие. Один из первых принципов построения, т.н. монолитные ОС (рисунок 1), заключался в представлении ОС как набора модулей, взаимодействующих между собой различным образом внутри ядра системы и предоставляющих прикладным программам входные интерфейсы для обращений к аппаратуре. Главным недостатком такой архитектуры является плохая предсказуемость ее поведения, вызванная сложным взаимодействием модулей системы между собой.

Однако большинство современных ОС, как реального времени, так и общего назначения, строятся именно по этому принципу.

В задачах автоматизации широкое распространение в качестве ОСРВ получили уровневые ОС (рисунок 2). Примером такой ОС является хорошо известная система MS-DOS. В системах этого класса прикладные приложения могли получить доступ к аппаратуре не только посредством ядра системы или ее резидентных сервисов, но и непосредственно. По такому принципу строились ОСРВ в течение многих лет. По сравнению с монолитными ОС такая архитектура обеспечивает значительно большую степень предсказуемости реакций системы, а также позволяет осуществлять быстрый доступ прикладных приложений к аппаратуре. Недостатком таких систем является отсутствие в них многозадачности. В рамках такой архитектуры проблема обработки асинхронных событий сводилась к буферизации сообщений, а затем последовательному опросу буферов и обработке. При этом соблюдение критических сроков обслуживания обеспечивалось высоким быстродействием вычислительного комплекса по сравнению со скоростью протекания внешних процессов.

Одной из наиболее эффективных архитектур для построения операционных систем реального времени считается архитектура клиент - сервер. Общая схема ОС работающей по этой технологии представлена на рисунке 3. Основным принципом такой архитектуры является вынесение сервисов ОС в виде серверов на уровень пользователя, а микроядро выполняет функции диспетчера сообщений между клиентскими пользовательскими программами и серверами - системными сервисами. Такая архитектура дает массу плюсов с точки зрения требований к ОСРВ и встраиваемым системам. Среди этих преимуществ можно отметить:

1. Повышается надежность ОС, т.к. каждый сервис является, по сути, самостоятельным приложением и его легче отладить и отследить ошибки.

2. Такая система лучше масштабируется, поскольку ненужные сервисы могут быть исключены из системы без ущерба к ее работоспособности.

3. Повышается отказоустойчивость системы, т.к. «зависший» сервис может быть перезапущен без перезагрузки системы.

К сожалению, на сегодняшний день не так много ОС реализуется по принципу клиент-сервер. Среди известных ОСРВ реализующих архитектуру микроядра можно отметить OS9 и QNX.



Глава 2. Понятие операционной системы и ее назначение

2.1 Понятие операционной системы

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ, то есть это совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем2.

Широко известно высказывание, согласно которому любая наука начинается с классификации. Само собой, что вариантов классификации может быть очень много, здесь все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект мы будем отличать от другого. Однако, что касается операционной системы, здесь уже давно сформировалось относительно небольшое количество классификаций: по назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и, наконец, по способам построения (архитектурным особенностям системы).

Прежде всего, традиционно различают операционные системы (далее ОС) общего и специального назначения. ОС специального назначения, в свою очередь, подразделяются на ОС для носимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т.п. Еще не так давно операционные системы для персональных компьютеров относили к ОС специального назначения. Сегодня современные мультизадачные ОС для персональных компьютеров уже многими относятся к ОС общего назначения, поскольку их можно использовать для самых разнообразных целей - так велики их возможности.

По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный (мультизадачный) режимы. К однопрограммным ОС относится, например, всем известная, хотя нынче уже практически и не используемая MS DOS. Под мультипрограммированием понимается способ организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода-вывода данных) используется для выполнения других (таких же либо менее важных) программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме, причем, вообще говоря, термины «мультипрограммный режим» и «мультизадачный режим» - это не синонимы, хотя и близкие понятия.

Основное принципиальное отличие этих терминов заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной работы (эти функции берет на себя сама ОС; именно она распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие). Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. Хотя в современной технической и тем более научно-популярной литературе об этом различии часто забывают и тем самым вносят некоторую путаницу. Можно, однако, заметить, что современные ОС для персональных компьютеров реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режимы.

Если принимать во внимание способ взаимодействия с компьютером, то можно говорить о диалоговых системах и системах пакетной обработки. Доля последних хоть и не убывает в абсолютном исчислении, но в процентном отношении она существенно сократилась по сравнению с диалоговыми системами.

При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных) и мультитерминальных ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется собственная вычислительная система. Очевидно, что для организации мультитерминального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминальных операционных систем для персональных компьютеров можно назвать Linux. Некая имитация мультитерминальных возможностей имеется и в системе Windows XP. В этой операционной системе каждый пользователь после регистрации (входа в систему) получает свою виртуальную машину. Если необходимо временно предоставить компьютер другому пользователю, вычислительные процессы первого можно не завершать, а просто для этого другого пользователя система создает новую виртуальную машину. В результате компьютер будет выполнять задачи и первого, и второго пользователя. Количество параллельно работающих виртуальных машин определяется имеющимися ресурсами.

Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не является планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования событий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В то время как в ОС, не предназначенных для решения задач реального времени, имеются некоторые накладные расходы процессорного времени на этапе инициирования задач (в ходе которого ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своих задач, загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходимые для ее выполнения ресурсы), в ОСРВ подобные затраты могут отсутствовать, так как набор задач обычно фиксирован, и вся информация о задачах известна еще до поступления запросов. Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для персональных компьютеров является ОС QNX.

По основному архитектурному принципу операционные системы разделяются на микроядерные и макроядерные (монолитные). В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX, тогда как в качестве монолитной можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Если ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам недоступны его исходные коды и у нас нет программы для сборки (компиляции) этого ядра, то в случае с Linux мы можем сами собрать то ядро, которое нам необходимо, включив в него те программные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (ведь к ним можно обращаться и из ядра).

2.2 Состав операционной системы и назначение компонент

Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

Большинство ОС состоит из следующих основных модулей: базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System); загрузчик операционной системы (Boot Record); ядро ОС; драйверы устройств; командный процессор; внешние команды (файлы).

Базовая система ввода-вывода (BIOS) - это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в ПЗУ компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.

Первая функция BIOS - автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и / или выдается звуковой сигнал.

Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске (эта операция выполняется сразу по окончании тестирования). Загрузив в ОЗУ этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.

Еще одна важная функция BIOS - обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы - это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро ОС реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

- файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

- система управления памятью (размещает программы в памяти);

- система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

- система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

- система обработки ошибок;

- служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

Драйверы требуются в тех случаях, когда обмен информацией с устройствами должен происходить иначе, чем определено в BIOS. Драйверы устройств - это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне. Они дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от аппаратуры и делают пользовательские программы независимыми от ее особенностей.

Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы; необходимость и порядок их загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает подключение к машине новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

Командный процессор - это программа, функции которой заключаются в следующем:

- прием и синтаксический разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

- исполнение внутренних команд операционной системы;

- загрузка и исполнение внешних команд (реализованных в виде самостоятельных программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (файлы с расширением СОМ, ЕХЕ или ВАТ).

Некоторые стандартные команды (TYPE, DIR и другие) командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними (как правило, это основные команды работы с файлами и каталогами). Для выполнения внешних команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и расширением СОМ, ЕХЕ (например, FORMAT.COM), и если находит ее, то загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет ее из памяти. Таким образом, внешние команды ОС - это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов.

В функции командного процессора входит также исполнение командных файлов (это текстовые файлы с набором команд и расширением ВАТ). Когда в качестве команды задается имя такого файла, командный процессор начинает последовательно читать и интерпретировать содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, осуществляющая вызов какой-то программы, выполнение командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения происходит выполнение следующей команды командного файла.

2.3 Организация дискового пространства

Размещение информации (в том числе файлов) на том или ином устройстве характеризует порядок ее хранения на физическом уровне. В качестве примера рассмотрим организацию дискового пространства для наиболее широко используемых носителей - магнитных дисков.

Все пространство диска разбивается на дорожки в виде концентрических окружностей, которые в свою очередь разделяются на секторы. Для их создания используется специальная процедура, которая называется форматированием и выполняется с помощью средств операционной системы (например, в MS DOS это команда FORMAT). Фактически при этом осуществляются две различные операции, называемые форматированием низкого и высокого уровней. Низкоуровневое (физическое) форматирование состоит в нанесении на диск электронных меток для обозначения дорожек и секторов. При форматировании высокого уровня (его называют также логическим) осуществляется создание служебных областей на диске.

Перед использованием магнитный диск обязательно должен быть отформатирован. Программа форматирования проверяет также работоспособность диска, отсутствие ошибок при записи и считывании информации. Дефектные секторы специальным образом помечаются и в дальнейшем не используются. Если диск уже форматировался ранее и на нем записана какая-то информация, то повторная процедура форматирования полностью уничтожает ее.

Обе стадии форматирования гибких дисков выполняются одновременно, но когда та же самая команда применяется к жестким дискам, то выполняется форматирование только высокого уровня; при этом предполагается, что форматирование низкого уровня уже проведено изготовителем.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается главная загрузочная запись (master boot record, MBR) и таблица разделов диска. MBR при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (boot sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер каждого раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочную запись.

Базовой единицей ФС жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска и обслуживаемый какой-либо файловой системой. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов.

Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать так называемый расширенный (extended) раздел, который по аналогии с основным разделом может разбиваться на несколько логических дисков.

При проведении форматирования высокого уровня дискеты или раздела диска происходит создание служебных областей в соответствии с типом файловой системы; ниже рассмотрены наиболее распространенные из них.

FAT. Файловая система FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 г. и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. В дальнейшем она была приобретена фирмой Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпушенной в августе 1981 г. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками и вначале не предусматривала поддержку жестких дисков. В соответствии со спецификацией FAT16 на диске размещался сначала загрузочный сектор, затем сама таблица размещения файлов, затем ее точная копия, затем корневой каталог; далее располагалась область данных.

FAT не могла контролировать каждый сектор в отдельности, поэтому она объединяла смежные секторы в кластеры (благодаря чему уменьшалось общее количество единиц хранения, за которыми должна следить файловая система). Кластер (cluster) - это группа смежных секторов, имеющая уникальный номер. Каждый кластер считывается и записывается целиком, и поэтому представляет собой минимальное пространство, которое может занимать файл. В результате значительная часть пространства диска расходуется впустую. Например, файл длиной 2 байта будет занимать весь кластер длиной 512 байт, и остальные 510 байт будут недоступны для хранения других данных.

Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов. Каждому кластеру соответствует отдельная запись в FAT, которая показывает, свободен ли он, занят ли данными файла, или помечен как сбойный (испорченный). Номер записи соответствует номеру кластера. Если кластер занят под файл, то в соответствующей записи в таблице размещения файлов указывается номер кластера, содержащего следующую часть файла. Из-за этого FAT называют файловой системой со связанными списками.

Используется следующий алгоритм считывания файлов. При получении имени файла для выполнения операции считывания ОС обращается к корневому каталогу и считывает номер начального кластера этого файла. Затем ОС обращается в запись FAT с данным номером и анализирует его содержимое. Если в записи содержится номер следующего кластера, ОС запоминает его, переходит к записи с этим номером для ее обработки. Процесс продолжается до тех пор, пока в очередной записи FAT не встретится признак конца файла (EOF, End Of File). Получив таким образом цепочку кластеров, принадлежащих данному файлу, ОС производит непосредственное чтение информации из кластеров с данными номерами, находящимися в области данных. Таким образом, из содержимого отдельных кластеров формируется содержимое файла.

Процедура записи файла имеет другой алгоритм. Получив содержимое файла, ОС делит его на порции, равные размеру кластера области данных, и определяет их количество. Обратившись в FAT, ОС отыскивает первую свободную запись, запоминает ее номер, создает в каталоге новый элемент со сведениями о файле и записывает в него этот номер в качестве начального кластера размещения файла. После этого отыскивается следующая свободная запись FAT и ее номер записывается в предыдущую запись FAT. Если в записи FAT присутствует признак испорченности, она пропускается, и запись информации в соответствующий кластер области данных не производится. Так продолжается до тех пор, пока не будет найдено место под все порции файла. В запись FAT, соответствующую номеру последнего кластера, записывается признак конца файла (EOF). После того как найдено место для размещения каждой порции файла, происходит физическая запись его содержимого в область данных.

Для надежности FAT хранится в двух экземплярах, записанных подряд. Предполагается, что эти копии должны быть идентичны. При порче основной файловой таблицы информация о размещении файлов считывается из ее копии. Но при порче копии восстановить цепочки кластеров, принадлежащие конкретному файлу, практически невозможно; вся информация на диске становится недоступной.

Оригинальная версия FAT, разработанная для DOS 1.00, использовала 12-битную таблицу размещения файлов и поддерживала разделы объемом до 4 Мб. Для поддержки жестких дисков размером более 32 Мб разрядность FAT была увеличена до 16 бит. Так как каждому кластеру должен быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, файловая система FAT16 поддерживает максимум 216, или 65536 кластеров на одном томе, а максимальная величина раздела составляет 2 Гбайт.

Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения системных файлов, они должны находиться в строго определенном месте диска, чтобы их можно было найти при загрузке. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге файловой системы FAT ограничено 512.

Каждому файлу и подкаталогу в FAT выделяется 32-байтный элемент каталога, содержащий имя файла (каталога), его атрибуты (архивный, скрытый, системный и «только для чтения»), дату и время создания файла (или внесения в него последних изменений), номер начального кластера, в котором он размещен, и размер в байтах.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. В процессе работы одни файлы удаляются, другие изменяются в размере; появляющиеся при этом пустые кластеры оказываются разбросанными по всему диску. Если данные файлы записаны не в смежные кластеры, он называется фрагментированным.

Фрагментация файлов значительно снижает скорость выполнения любых операций с ними, так как при поиске очередной порции данных приходится осуществлять перемещение головок чтения / записи. Поэтому в состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные программы дефрагментации диска, позволяющие повысить скорость работы дисковой подсистемы компьютера.

Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге.

Если их много, выполнение операции считывания списка файлов может занять несколько минут. Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше записей в каталоге, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется последовательно просмотреть их одну за другой.

Следует отметить также, что FAT не предотвращает порчи файлов в случае аварийного завершения работы компьютера в момент выполнения операций записи.

Поскольку FAT изначально проектировалась для однопользовательской операционной системы DOS, в ней не предусмотрено хранения информации о владельце файла / каталога или полномочиях доступа к ним.

FAT была одной из первых файловых систем для ПК; несмотря на многочисленные недостатки, она получила широкое распространение и поэтому ее поддерживает большинство современных ОС. Хотя нет никаких препятствий для того, чтобы использовать при форматировании дискет любую другую файловую систему, большинство ОС для совместимости по-прежнему применяют в этом случае FAT. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы, и соответственно больше места остается под размещение данных. Преимущества других файловых систем становятся заметны только при использовании их на носителях объемом более 100 Мб.

VFAT. Файловая система VFAT (Virtual FAT), впервые реализованная в Windows NT 3.5 и Windows 95 (DOS 7.0), - это видоизмененная система FAT, дополненная поддержкой длинных имен файлов (Long File Name, LFN) в кодировке UNICODE (каждый символ имени кодируется 2 байтами). Схема распределения дискового пространства осталась той же, что и в FAT, но ограничения, устанавливаемые соглашениями по именам файлов, изменились:

- допускаются имена длиной до 255 символов;

- в имени может быть несколько пробелов и точек (при этом, однако, текст после последней точки рассматривается как расширение);

- регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

Основной проблемой при разработке VFAT было обеспечение корректной работы старых программ, не поддерживающих длинные имена файлов. В итоге было принято решение для каждого файла и подкаталога в VFAT использовать два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога. Для любого файла или подкаталога непосредственно перед единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла (не более 13 символов), из которых ОС составляет полное имя файла. Поскольку одно длинное имя может занимать до 21 записи, а корневой каталог FAT ограничен 512 записями, желательно ограничить использование длинных имен в корневом каталоге.

Загрузочный блок в HPFS аналогичен загрузочному блоку в FAT. Системные файлы, также, как и в FAT, располагаются в корневом каталоге, но при этом физически могут находиться в любом месте диска.

Для обнаружения свободных секторов используется блок битовых карт (bitmap block list). Он похож на таблицу размещения файлов FAT. Каждому сектору группы соответствует один бит в ее битовой карте, показывающий, занят ли он. Резервный блок (directory emergency free block list) обеспечивает высокую отказоустойчивость HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске. Расположение группы каталогов в центре диска значительно сокращает время позиционирования головок чтения / записи.

В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое В-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. При поиске файловая система HPFS просматривает только необходимые ветви дерева, что заметно ускоряет процесс.

Файловая система NTFS (New Technology File System) была специально разработана для ОС Windows NT. В ней значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализованы отказоустойчивость и средства динамического сжатия файлов. NTFS допускает имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Каждый файл на разделе NTFS представлен записью в специальном файле MFT (Master File Table, главная файловая таблица). NTFS резервирует около 1 Мб для размещения первых 16 записей служебной информации. 17-я и последующие записи MFT используются собственно файлами и каталогами. Первая запись содержит саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов.

NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция. При модификации любого файла пользователем, в файле регистрации фиксируется вся информация, необходимая для повторения или «отката» транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла; в противном случае NTFS оставляет его неизменным. В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файлов и любые команды, изменяющие структуру каталогов.

Схема распределения пространства на томе хранится в файле битовой карты (bitmap file). Атрибут данных этого файла содержит карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.

В загрузочном файле (boot file) хранится код начального загрузчика операционной системы.

NTFS также поддерживает файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе и файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома. Наконец, имеется файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает, можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.

NTFS распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь на каждом томе 2й4 кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT, размер кластера может меняться, но он не обязательно возрастает пропорционально раз размеру диска.

NTFS позволяет сохранять файлы размером до 16 эксабайт (2м байт) и располагает встроенными средствами уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога, и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При этом (в отличие от схем уплотнения, используемых в FAT) применяется пофайловое уплотнение; таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах. Для уменьшения фрагментации NTFS всегда пытается сохранять файлы в непрерывных блоках.