Основные функции ОС

Классификация ОС

Одной из основных функций любой ОС является управление ресурсами ПК (процессорами, памятью, устройствами).

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

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

· однозадачные (например, MS-DOS) и

· многозадачные (UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС, в основном, делают 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.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

· однопользовательские (MS-DOS);

· многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

Поддержка многопоточности. Важным свойством операционных систем является возможность выполнения параллельных вычислений в рамках одной задачи. Многопоточная ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (потоками).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

Особенности областей использования

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

· системы пакетной обработки (например, OC EC),

· системы разделения времени (UNIX, VMS),

· системы реального времени (QNX, RT/11).

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, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно 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, то есть выбирается "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. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

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. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, 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. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

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.

Основными функциями любой ОС являются:

1) Управление выполнением программ (процессами);

2) Организация хранения информации во внешней памяти (управление данными);

3) Управление работой каждого блока ВМ и их взаимодействием (управление ВУ);

4) Взаимодействие пользователя с компьютером (организация интерфейса пользователя с компьютером).

1. Управление ресурсами

Основными ресурсами, которыми управляет ОС во время выполнения, являются ОП и время процессора. ОС выполняет функции диспетчера, т. е. решает, какой программе и на какой срок выделить в распоряжение процессор. Она ставит программы в очередь на получение процессорного времени. Если пользователь активизирует программу, то она передвигается в начало очереди.

Вторым основным ресурсом является ОП. В ней во время выполнения размещается код программы и обрабатываемые ею данные. Т. к. потребности в ОП могут быть очень велики, а ее реальный объем ограничен, то во всех современных ОС реализована виртуальная память. Возможности 32-разрядной адресации современных процессоров обеспечивают доступ к 4 Гб памяти. Реально же объем физической памяти гораздо меньше. Разработчики программ не знают память какой емкости окажется доступна программе во время ее выполнения, поэтому пишут программы в расчете на виртуальное (кажущееся воображаемым) адресное пространство. Это пространство ограничивается возможностями адресации и потребностями самой ОС, которая также требует для своего выполнения ресурсов (в Windows NT в распоряжении прикладной программы остается 2Гб виртуальной памяти). В действительности в распоряжении программы оказывается гораздо меньший объем памяти (128-256 Мб), которая должна быть распределена между несколькими параллельно выполняющимися программами. Эта проблема решается созданием виртуальной памяти.

Виртуальная память моделирует оперативную память большого объема на базе реальной оперативной памяти и памяти на внешних запоминающих устройствах, с помощью программ ОС. Временно не используемые данные из ОП выгружаются в специально отведенное место на диске (файл подкачки), а при обращении к ним процессора снова подкачиваются в ОП. Физической памятью при этом служит дисковая память, именно она определяет доступный для выполнения программ объем памяти. Поэтому при установке новых программ надо заботиться о том, чтобы на жестком диске оставалось достаточно места для организации виртуальной памяти.

2. Управление данными

Управление данными осуществляется с помощью файловой системы. Файл поименованная область данных, хранящихся на внешних носителях. Присваивая файлу имя, пользователь должен соблюдать определенные правила: длина имени может быть ограничена, некоторые символы не могут использоваться в имени файла. Эти ограничения определяются ОС. В файл обычно записывается информация, объединенная общим назначением, способом использования. Тип файла определяет его организацию. Информация о типе файла содержится в расширении файла: REPORT.TX – имя файла MS DOS, где TXT – расширение. Расширение определяется программой, создавшей этот файл.

Файловая система ОС отвечает за выполнение следующих операций над файлами: создание и уничтожение, копирование и перемещение на новое место, переименование, поиск файлов по различным признакам, открытие файлов для последующего чтения или записи данных, закрытие файлов после выполнения операций над ними. Для выполнения операций над файлами ОС создает специальные справочники, которые содержат информацию о характеристиках файлов и их состоянии.

Файловая структура практически всех современных ОС имеет иерархическую структуру (т. е. файлы объединяются в папки/каталоги, те, в свою очередь, могут входить в другие папки и т. д.). На каждом логическом диске при его разметке создается собственная файловая система. Каталог, который ни вложен ни в какой другой каталог (самый верхний) называется корневым. Он не имеет собственного имени. Каждый каталог содержит список записей, каждая запись соответствует одному вложенному в каталог файлу или другому каталогу. В записи содержится имя, расширение, размер, дату создания или последней модификации файла, информацию о местоположении на диске и некоторую другую информацию. Чтобы найти файл, нужно пройти по всей цепочке папок (каталогов). Имена каталогов, образующие маршрут от корневого каталога до нужного файла называется путем. Путь+имя файла+расширение образуют полное имя файла.

У каждого файла есть атрибуты. Это характеристики файла, которые позволяют задать дополнительные правила, определяющие порядок работы с файлом. Наиболее часто используются следующие атрибуты:

А – архивный, т. е. файл, подлежащий резервному копированию с помощью специальных служебных программ.

R – только для чтения, его нельзя переименовывать, удалять, модифицировать, переносить на другое место.

H – скрытый, он не отображается при просмотре папки, в которую он вложен (при определенных настройка системы).

S – системный, входит в состав ОС.

Все, что было сказано, относится к пользователю. Для реализации своих функций эта подсистема ОС должна организовать управление внешней памятью: выделить дисковое пространство для размещения файлов организовать быстрый поиск файлов на диске и доступ к хранящимся в них данным, обеспечить надежность и отказоустойчивость работы внешних устройств.

Сама ОС также хранится на диске. При установке системы она размещается на системном (загрузочном) диске в корневом каталоге и в специально создаваемых при инсталляции системных каталогах.

На случай, если системный диск окажется испорченным, создаются специальные загрузочные диски, на которые записывают только основные компоненты ОС и программы, которые позволяют восстановить работоспособность системы или ее переустановку. Порядок поиск системного диска устанавливается в Setup.

3. Управление ВУ

Данные, которые обрабатываются программами должны быть помещены в ОП. Только тогда над ними можно выполнять операции. ОС организует по запросам программ обмен информацией между ВУ и ОП, следит за состоянием устройств, устанавливает порядок доступа к ВУ. Для управления ВУ служат драйверы. Драйверы разрабатываются как разработчиками ОС, так и разработчиками оборудования. Для подключения или замены ВУ достаточно установить соответствующий драйвер.

Часть программ, реализующих базовые функции по управлению устройствами ПК, обычно реализована аппаратно.

Базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input/Output System) находится в ПЗУ. Каждого IBM-совместимого ПК. Модуль BIOS реализует наиболее простые и универсальные функции по управлению стандартными ВУ. В нем содержатся аппаратно зависимые драйверы стандартных устройств (дисплея, клавиатуры и т. д.), тестовые программы для контроля работоспособности оборудования, программа начальной загрузки. Любая ОС опирается на BIOS, поэтому BIOS можно считать как частью аппаратуры, так и частью ОС. Модуль BIOS индивидуален для каждого типа ПК и поставляется изготовителями. Выделение BIOS в отдельный модуль позволяет обеспечить независимость программного обеспечения от специфики конкретной модели ПК.

В MS DOS новые драйверы можно подключить с помощью файла CONFIG.SYS, в Windows реализована технология Plug and Play, которая заключается в поддержке самонастраивающейся аппаратуры.

4. Интерфейс пользователя

Организация диалога с пользователем также является функцией ОС. Интерфейс пользователя обеспечивает возможность диалога между пользователем и ОС. Кроме того, ОС отслеживает события, происходящие в системе, обрабатывает их и выводит сообщения о них в форме понятной пользователю.

Большинство современных ОС реализуют графический интерфейс пользователя, представляющий информацию в более наглядном виде.

Текстовый интерфейс позволяет вводить команды с клавиатуры. Все ОС обеспечивают возможность ввода команд в специальную командную строку.

В соответствии с выделенными функциями можно выделить и три основные части ОС:

1. Файловая система. Она служит для организации хранения информации в ЭВМ. Драйверы внешних устройств. Драйвер – это программа специального типа, ориентированная на управление ВУ. Драйверы ВУ образуют BIOS (base input/output system), которая заносится в ПЗУ.

2. Командный процессор. Это программа, которая обрабатывает команды вводимые пользователем.

Дата добавления: 2014-01-05