Основные принципы построения ОС

Введение в операционные системы

Назначение, основные этапы развития операционных систем

Операцио́нная систе́ма, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;

необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);

наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы). Таким образом, современные универсальные ОС можно охарактеризовать прежде всего как

использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),

многопользовательские (с разделением полномочий),

многозадачные (с разделением времени).

Предшественником ОС следует считать служебные программы (такие, как загрузчики), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950-60-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и системы

Современные ОС и их классификация

Передовые технологии операционной системы, в том числе, вытесняющая многозадачность, отказоустойчивость и защита системной памяти, которые позволяют предотвращать и разрешать проблемы и поддерживать стабильную работу системы.

Возможность восстановления данных. Если сбой программы возникает до сохранения результатов работы, система во многих случаях позволяет восстановить данные.

Защита системной памяти. Эта функция позволяет предотвратить нарушение работы компьютера в связи с ошибками, допущенными при написании программ.

Оптимизированная процедура установки программного обеспечения. При установке нового программного обеспечения, как правило, не требуется перезагружать Windows XP, как это часто было в предыдущих версиях Windows.

Классификация операционных систем.

по числу одновременно выполняемых задач

однозадачные(MS-DOS)-управление периферийными устройствами, файлами и т.д.

многозадачные(UNIX,Windows, OS/2)- дополнительно управляют разделением совместно используемых ресурсов (процессор, память)

по числу одновременно работающих пользователей

однопользовательские(MS-DOS,Windows 3.x)

многопользовательские(UNIX, Windows NT)- наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других

способ распределения процессорного времени между неск. процессами

(основное отличие в степени централизации механизма планирования процессов)

вытесняющая многозадачность(Windows NT, OS/2,UNIX)-механизм планирования процессов целиком сосредоточен в ОС; решение о переключении на другой процесс принимается ОС.

невытесняющая многозадачность(NetWare, Windows 3.x)- механизм планирования процессов распределён между системой и прикладными программами; процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдаст управление ОС.

многонитевая ОС –возможность распараллеливание вычислений в рамках одной задачи, разделение процессорного времени не между задачами, а между их отдельными ветвями.

многопроцессорная ОС

Поддерживают многопроцессорную обработку данных: Solaris 2.x, Open Server 3.x, OS/2, Windows NT, NetWare 4.1

по способу организации вычислительного процесса

ассимитричные ОС –целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам

симметричные ОС- полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами

по назначению

общего назначения

специального назначения для переносных микрокомпьютеров(карманные PC)

для различных встроенных систем

по режиму обработки задач

однопрограммный режим

мультипрограммный режим- когда на однопроцессорной машине создаётся видимость выполнения нескольких программ; организацию параллельной работы берёт на себя ОС.

мультизадачный режим – забота о параллельном выполнении приложений ложиться на программиста.

по способу построения

микроядерные (QNX)

монолитные (Windows 9.XX)

Основные принципы построения ОС

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких, как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие, как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности модификации исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой (содержащей ошибку или злонамеренно подготовленной) программы, а также модификации самой ОС прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в ОС была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени в ОС позволило создавать системы, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени).

Файловые системы и структуры

Постепенная замена перфорационных носителей (лент и карт) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках) поставило задачу организации данных на таких носителях, с тем, чтобы данные, введённые оператором или сформированные одной программой могли использоваться другой.

Эта задача была решена (и решается в подавляющем большинстве ОС сегодня) путём реализации файловой структуры (способа однозначной адресации определенной совокупности данных (файла) в ОС) и файловой системы (физической организации дискового пространства, соответствующей файловой структуре или её части).

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 430; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!