НТВ плюс 

Классификация операционных систем персонального компьютера. Операционные системы. Разновидности современных ос

Операционная система в наибольшей степени определяет облик вычислительной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, различных типов дисков, накопителей на магнитных лентах, принтеров, сетевой коммуникационной аппаратуры и других устройств, требующих сложного механизма управления. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины так, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. В соответствии с этим главной функцией ОС является распределение процессоров, памяти, других устройств и данных между вычислительными процессами, конкурирующими за эти ресурсы. Управление ресурсами включает решение следующих не зависящих от вида ресурса задач:

планирование ресурса , т.е. определение, кому, когда и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;

контроль за состоянием ресурса , т.е. поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом.

Операционные системы различаются особенностями реализации алгоритмов управления ресурсами компьютера, областями использования и по многим другим признакам. Так, в зависимости от особенностей алгоритма управления процессором операционные системы делятся на однозадачные и многозадачные, однопользовательские и многопользовательские, на однопроцессорные и многопроцессорные системы, а также на локальные и сетевые.

Однозадачные и многозадачные операционные системы. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы делятся на два класса:

однозадачные (например, MS DOS, MSX);

многозадачные (ОС ЕС, OS/2, Unix, ОС семейства Windows) и др.

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным интерфейс пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.



Многозадачные ОС , кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких, как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе вычислительными процессами во многом определяет особенность ОС. Среди множества существующих способов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

Невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

Вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, Unix).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим алгоритмом многозадачности является степень централизации планирования вычислительных процессов. В первом случае планирование вычислительных процессов целиком возлагается на операционную систему, а во втором – распределено между операционной системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный вычислительный процесс выполняется до тех пор, пока сама прикладная программа по собственной инициативе не отдаст указание операционной системе выбрать из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного активного вычислительного процесса на другой принимается самой ОС, а не прикладной программой.

В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:

системы пакетной обработки (например, ОС ЕС);

системы с разделением времени (Unix, VMS, Windows, Linux);

системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначены для решения задач такого характера, которые не требуют быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, т.е. решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующий порядок обработки данных: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются те задачи, которые предъявляют различные требования к ресурсам. Это делается с целью обеспечения сбалансированной загрузки всех устройств вычислительной машины. Например, является желательным одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом.

Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т.е. выбирается наиболее оптимальное, “выгодное” задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Очевидно, что такой алгоритм вычислительного процесса снижает эффективность работы пользователя в интерактивном режиме, но остается актуальным для обеспечения высокой производительности при обработке больших объемов информации и до настоящего времени, особенно в прикладных информационных системах.

Системы с разделением времени. В системах с разделением времени каждой задаче выделяется небольшой квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то это предполагает параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы. Ясно, что подобные системы обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая “выгодна” системе. Критерием эффективности систем с разделением времени является не максимальная пропускная способность процессора, а эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

Системы реального времени (ОС РВ) применяются для управления различными техническими объектами (такими, как станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.). Применяют ОС РВ и в банковском деле. Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы – реактивностью. Среди наиболее известных ОС РВ для IBM PC – RTMX, AMX, OS-9000, FLEX OS, QNX и др. Среди перечисленных ОС наиболее полным набором инструментальных средств обладает ОС РВ QNX, которая выполняет 32-разрядные приложения и может работать совместно с ОС семейства Unix.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

Многопользовательский и однопользовательский режимы. По числу одновременно работающих пользователей ОС могут быть разделены на однопользовательские (MS DOS, Windows 3.x) и многопользовательские (Unix, Windows NT, Windows XP, Linux).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Многопроцессорные и однопроцессорные системы. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки. В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

В системе с многопроцессорной обработкой данных ОС могут быть разделены по способу организации вычислительного процесса следующим образом: асимметричные ОС и симметричные ОС . Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все количество процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Одним из важных признаков классификации ОС является деление их на сетевые и локальные.

Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных.

Они предоставляют средства разграничения доступа к информации, ее целостности и сохранности, а также другие возможности использования сетевых ресурсов.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети.

С одной стороны, каждый компьютер в сети в некоторой степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой понимается вся совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам – протоколам.

С другой стороны, сетевая ОС – это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В большинстве случаев ОС устанавливаются на одном или более достаточно мощных компьютерах-серверах, предназначенных исключительно для обслуживания сети и совместно используемых ресурсов.

Все остальные ОС будут считаться локальными сетевыми и могут использоваться на любом ПК, подключенном к сети в качестве рабочей станции. На каждой рабочей станции выполняется своя собственная локальная сетевая операционная система, отличающаяся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети.

Локальная сетевая ОС такого типа не имеет фундаментальных отличий от ОС автономного компьютера, но она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей:

средства управления локальными ресурсами компьютера : функции распределения оперативной памяти между планированием и диспетчеризацией процессов, управления процессорами в многопроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС;

средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование – серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам;

средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование – клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо;

коммуникационные средства ОС , с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., т.е. является средством транспортировки сообщений.

Основа программного обеспечения персонального компьютера - операционная система, представляющая собой комплекс служебных и системных программных компонентов, обеспечивающих человеко-компьютерное взаимодействие и выполнение прочих программ. С одной стороны, она тесно взаимосвязана с базовым программным обеспечением компьютера, включенным в BIOS, однако она сама выступает в качестве опоры для программ более высокого уровня - прикладного, а также большей части прикладных программ. Для работы компьютера обязательным условием выступает присутствие операционной системы на его жестком диске. При включении устройства она считывается с жесткого диска и записывается в ОЗУ, данный процесс получил название загрузка. В связи с тем, что сейчас существует множество разнообразных систем, ориентированных на решение конкретных и общих задач, вполне естественным является то, что имеется классификация операционных систем. Давайте приведем ее в кратком виде.

Классификация операционных систем зависит от особенностей реализации управляющих алгоритмов областями использования и ресурсами компьютера. В зависимости от алгоритма процессорного управления принято подразделять операционные системы на однозадачные и многозадачные, однопроцессорные и многопроцессорные, однопользовательские и и локальные.

Классификация операционных систем по количеству одновременно выполняемых задач: многозадачные и однозадачные. Однозадачные системы используют средства файлового периферийными устройствами, а также и средства взаимосвязи с пользователями. Для многозадачных систем характерно использование тех же средств, что и для однозадачных, но при этом они управляют разделением ресурсов, используемых совместно: оперативная память, процессор, внешние устройства и файлы.

Типы по областям использования многозадачности: системы обработки данных в пакетном режиме, системы реального времени и с разделением времени. Основным назначением систем пакетной обработки данных является решение задач, не требующих быстрого получения результата. Их основной целью является решение наибольшего количества задач за единицу времени или максимальная Такие системы позволяют добиваться большой производительности при решении больших объемов задач, однако они снижают эффективность пользовательской работы в режиме интерактивности. Системы с разделением времени выделяют небольшой временной промежуток для решения каждой задачи, поэтому ни одна задача на продолжительное время не занимает процессор. При минимальном выбранном промежутке времени может создаваться видимость одновременного выполнения ряда задач. При понижении пропускной способности такие системы позволяют пользователю весьма эффективно работать в интерактивном режиме. Системами реального времени пользуются для управления техническим объектом или технологическим процессом.

Классификация операционных систем по численности одновременно работающих пользователей: много- и однопользовательские. В многопользовательских у каждого пользователя имеется возможность настроить для себя интерфейс системы, то есть у них имеется возможность создать собственные ярлыки, индивидуальную схему цветов и прочее. В таких системах имеются и средства защиты информации от доступа иных пользователей.

Наличие в системе средств многопроцессорной является важнейшей характеристикой, подобные средства представлены в Net Ware, OS/2, Widows NT.

Так как мы привыкли использовать систему Windows, то вас может волновать именно ее классификация. Итак, основные операционные системы Windows, которые использовались у нас для рядовых пользователей, это Windows 95, 98, NT, XP, Seven.

Назначение операционной системы:

Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.

Назначение ОС - организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса (Интерфейс - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающих их эффективное взаимодействие) между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС. Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.

В программном обеспечении ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонентов программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.

Классификация операционных систем:

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

В зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

1. однозадачные;

2. многозадачные.

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

1. системы пакетной обработки;

2. системы разделения времени;

3. системы реального времени.

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами. Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

1. однопользовательские;

2. многопользовательские.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

1. невытесняющая многозадачность;

2. вытесняющая многозадачность.

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    системы разделения времени (UNIX, VMS);

    системы реального времени (QNX, RT/11).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Стандартизация

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

Многозадачность

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

Два кита UNIX: файлы и процессы

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

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

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

Беглый взгляд на архитектуру UNIX

Презентация 2-02: беглый взгляд на архитектуру UNIX

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

Рисунок 1.20. Архитектура операционной системы UNIX

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

Презентация 2-03: ядро UNIX

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

Файловая подсистема

Доступ к структурам ядра осуществляется через файловый интерфейс.

Управление процессами

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

Драйверы устройств

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

Рисунок 1.21. Ядро операционной системы UNIX

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

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

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

Операционные системы (ОС) классифицируют :

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

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

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

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

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

    по отсутствию или наличию в ней средств поддержки многопроцессорной обработки . Многопроцессорные ОС, в свою очередь, могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь набор процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами;

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

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

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

    по структурной организации и концепциям, положенным в основу:

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

    по построению на базе объектно-ориентированного подхода ;

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

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

Структуру ОС составляют следующие модули :

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

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

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

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

В общем случае операционная система выполняет следующие четыре функции:

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

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

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

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

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

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

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

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

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

    Распределение ресурсов компьютера между задачами.

    Организация взаимодействия задач друг с другом.

    Взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами.

    Организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.

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