Операционные системы

Центральное место в структуре ПО занимает операционная система (ОС).

Операционная система – это система программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователям набора услуг[5].

.

Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализуют такие функции, как планирование и распределение ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными. Объем ОС и число составляющих ее программ в значительной степени определяются типом используемых ЭВМ, сложностью режимов работы ЭВМ и ВС, составом технических средств и т.д.

Применение ОС имеет следующие цели:

· увеличение пропускной способности ЭВМ, то есть увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;

· уменьшение времени реакции системы, то есть сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и получения результатов;

· контроль работоспособности технических и программных средств;

· помощь абонентам и операторам при использовании ими технических и программных средств, облегчения их работы;

· управление программами и данными в ходе вычислений;

· обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и программными средствами.

Любая ОС имеет средства приспособления к классам решаемых пользователями задач и к конфигурации средств, включаемых в ВС. Назначение состава услуг, которыми могут пользоваться абоненты, осуществляется различными методами. В больших ЭВМ формирование конкретной конфигурации ОС осуществляется на нескольких уровнях. Предварительно этот состав определяется при генерации ОС.

Генерация системы – это процесс выделения отдельных частей операционной системы и построения частных операционных систем, отвечающих требованиям системы обработки данных (стандарт ISO 2382/10-79).

Из полного набора программных модулей ОС (дистрибутива) формируется специальный набор этих средств, в наибольшей степени отвечающий запросам пользователей. Коррекция же состава используемых услуг может быть выполнена непосредственно перед решением задач операторами вычислительного центра или самими пользователями. Оперативное обращение к средствам ОС возможно и из программ пользователей, путем включения в них специальных директив.

Применительно к ПК типа IBM PC, у которых пользователь является одновременно и оператором, этот процесс видоизменен. Для каждого ПК создается так называемый системный диск с соответствующим набором программ дисковой операционной системы (DOS, Disc Operating System).

Для наиболее распространенных моделей ПК конфигурация аппаратных средств задается установкой перемычек на системной плате (motherboard) и платах контроллеров периферийных устройств, а также записывается в область данных BIOS и в энергонезависимую память CMOS. Конфигурацией можно управлять и программно. При первом включении компьютера программой Bios Setup Program (программа начальных установок) обеспечивается запись основных параметров системы, которые сохраняются в CMOS-памяти компьютера. Окончательная настройка ДОС производится файлами autoexec.bat и config.sys, а также выполнением отдельных команд, набираемых в командной строке ДОС.

Для каждого типа компьютера возможно использование нескольких типов ОС. Все они имеют несколько версий. Для IBM PC распространение получили MS DOS фирмы Microsoft, OS/2Warp и IBM DOS фирмы IBM, DR DOS фирмы Digital Research, DOS фирмы Novell. Отличия ОС определяются составом и детализацией системных функций. Более распространенной была MS DOS, она использовалась в большинстве ПК. MS DOS все больше вытесняется последними версиями MS Windows. Система DR DOS имеет очень развитые средства защиты информации и разграничение доступа, что предопределяет ее использование в системах с закрытием обрабатываемой информации. OS/2 Warp позволяет более полно использовать возможности самых мощных микропроцессоров при организации вычислительного процесса. Novell DOS ориентирована на работу компьютера в сети.

Отличительной особенностью DOS является интерфейс командной строки, сохранившийся и сегодня в операционных система Unix и Linux. Этот интерфейс более удобен для профессионалов, чем для рядового пользователя. Знание состава команд DOS и особенностей их применения было и остается залогом эффективной работы, но требует специфической начальной подготовки пользователей, что в некоторой степени сдерживало расширение рынка ПК и их программного обеспечения. Новые виды операционных систем, облегчая работу пользователей, сохраняют режим командной строки для работы с DOS-утилитами и для восстановления работоспособности систем при сбоях и отказах.

Для уяснения процедур планирования вычислениями конкретизируем понятие вычислительного процесса.

Вычислительный процесс в системе представляется в виде последовательности, как правило, ветвящейся, простых процессов – одноразовых работ, выполняемых ресурсами ВС.

Ресурсы ВС – это средства, необходимые для вычислений. К ресурсам ВС в первую очередь относят машинное время компьютера (процессоров), объемы внешней и особенно оперативной памяти, любые внешние устройства, подключаемые к ВС, вплоть до каналов связи. Ресурсами являются и программные средства, как общего, так и специального ПО, и даже отдельные информационные массивы, например, базы данных, библиотеки и т.д.

Функции управления ресурсами операционная система осуществляет путем построения специальных управляющих таблиц, отражающих наличие и состояние ресурсов. Связь процессов в цепочки осуществляется по событиям, где событие - это изменение состояния ресурса, изменение его характеристик. Именно по событиям ОС включается в работу и адекватно реагирует на сложившуюся ситуацию.

Управление вычислительным процессом практически не может быть оптимизировано, если не считать «заложенной стратегии» в саму ОС, так как априори для этого просто отсутствуют необходимые данные.

Основу любой ОС составляет управляющая программа, основными функциями которой являются управление заданиями, управление задачами, то есть управление ходом выполнения отдельных программ, и управление данными.

Задание - это требование пользователя выполнить некоторые объема вычислительных работ. Процедуры управления заданиямиобеспечивают предварительное планирование работы ЭВМ и оперативную связь пользователя и оператора с машиной во время работы. Планирование работы включает ввод пакетов или одиночных заданий, формирование очередей заданий в соответствии с их приоритетами, активизацию (запуск) и завершение заданий.

Каждое задание реализуется как определенная последовательность отдельных программ – задач. Задачи образуют отдельные программы вместе с обрабатываемыми ими данными. Например, типовое задание пользователя включает этапы трансляции, редактирования и собственно выполнения сформированной машинной программы. На каждом из этих этапов выполняется некоторая программа (задача), обрабатывающая определенные данные. Комплекс программ управления задачами обеспечивает автоматическое выполнение последовательности программ каждого задания пользователя.

Управление задачами требует распределения и назначения ресурсов (управления временем работы процессора, распределения оперативной памяти для программ пользователей и программ ПО, синхронизации выполнения задач и организации связей между ними, управления очередностью задач, внешними устройствами защиты задач от взаимных помех). Ведущей программой управления задачами является управляющая программа – диспетчер: супервизор, базовый модуль ДОС или др. Часто используемые модули образуют ядро ОС, которое постоянно находится в оперативной памяти и быстро реагирует на изменяющиеся условия функционирования. Примером такой программы может служить командный процессор command.com для ПК типа IBM PC. Остальные программы ОС вызываются из ВЗУ в оперативную память по мере их надобности в вычислительном процессе.

Набор программ управления данными обеспечивает процессы организации, идентификации, размещения в ОП и на ВЗУ, хранения, построения библиотек и выборки всех данных, которые могут обрабатываться в компьютере.

В ПК программы управления заданиями представлены достаточно слабо, так как они изначально создавались как однопользовательские и однозадачные ЭВМ. С появлением ОС типа Windows, ориентированных на многозадачные и многопользовательские режимы, появились и эти процедуры. Программы же управления задачами и данными представлены достаточно полно. Так, ядро MS DOS включает следующие системы: файловую, управления памятью, управления программами, связи с драйверами устройств для управления периферийной аппаратурой, обработки ошибок, службы времени, общения с оператором.

Структурно DOS состоит из следующих элементов, представленных на рис. 20. Кроме программных компонент, указанных на рисунке, ОС включает еще вспомогательные файлы autoexec.bat и config.sys. Они предназначаются для настройки на конкретные режимы работы.

Рис. 20. Структура ДОС ПЭВМ

ДОС

Программа Базовая Базовый Командный Утилиты

начальная система модуль ДОС процессор

загрузка ввода-вывода

*.com,*.exe command.com

Постоянный Модуль

модуль расширения

Программа начальной загрузки (Boot Record) находится в первом секторе на нулевой дорожке системного диска. Ее объем 512 байт. После включения компьютера и его проверки постоянный модуль BIOS формирует вызов данной программы и ее запуск. Назначением программы начальной загрузки является вызов модуля расширения IO.sys и базового модуля MS DOS.sys.

Базовая система ввода-вывода (BIOS) является надстройкой аппаратурной части компьютера и напрямую к DOS не относится. Влияние BIOS на характеристики DOS осуществляется через постоянный модуль BIOS и модуль расширения. В ближайшее время Intel планирует отказаться от BIOS. На смену ей придет расширяемый фирменный интерфейс (Extensible Firmware Interface, EFI). Достоинство EFI заключается в том, что он будет написан на языке С и представлять собой простейшую операционную систему, которая позволит даже выходить в сеть [news.zdnet.co.uk].

Постоянный модуль BIOS отвечает за тестирование компьютера после его включения, вызов программы начальной загрузки. Он обрабатывает прерывания вычислительного процесса нижнего уровня и обслуживает стандартную периферию: дисплей, клавиатуру, принтер, дисководы.

Модуль расширения BIOS (IO.sys) обеспечивает подключение к компьютеру периферийных дополнительных устройств, изменение некоторых параметров ДОС, замещение некоторых стандартных функций, загрузку командного процессора и его запуск.

Базовый модуль ДОС (MSDOS.sys или IBMDOS.com) отвечает за работу файловой системы, обслуживает прерывания верхнего уровня (32...63), обеспечивает информационное взаимодействие с внешними устройствами.

Командный процессор (command.com) предназначен для выполнения команд, загружаемых в командную строку ДОС. Все команды делят на внутренние и внешние. Внутренние команды – этокоманды, прописанные внутри самого файла command.com. Внешние команды – это требования запуска каких-либо программ, находящихся на дисках. Кроме этого командный процессор выполняет команды файла autoexec.bat, специального командного файла, если он находится на системном диске.

Файл autoexec.bat содержит список внутренних и внешних команд, выполнение которых позволяет развернуть в оперативной памяти компьютера некоторый набор вспомогательных программ или пакетов, для обеспечения последующей работы пользователя.

Файл config.sys отражает специфические особенности формирования конфигурации компьютера, то есть состава его технических и программных средств.

В связи с постоянным совершенствованием ПК и их ПО все больше используются интегрированные ОС типа MS Windows. В настоящее время доля ОС типа Windows составляет более 90% всех ПК.

Microsoft Windows – довольно сложная операционная система. Отличительной особенностью ее построения служит стремление фирмы Microsoft подойти с единых позиций к интеграции в вычислительных системах всевозможных аппаратных и программных средств, приложений, построению различных информационных систем, в первую очередь бизнес-систем, формированию на их основе систем управления фирмами, корпорациями и предприятиями, разработке соответствующих стандартов и т.п.

Плановая и продуманная система совершенствования ОС и ее распространения обеспечила популярность и лидерство на рынке ПК, принадлежащих платформе Wintel (Windows плюс Intel). Принцип ее построения состоит в следующем.

На основе базовых функций нижнего уровня (практически уровня DOS) формируются библиотеки универсальных функций, используемые практически во всех разработках. Развитие Windows осуществляется по трем направлениям на единых базовых концепциях, но с ориентацией на различные области применения:

– ОС класса «high-end» (Windows 2000 Server и Windows Server 2003), рассчитанная на сетевое применение, управление рабочими станциями, серверами и центрами обработки данных;

– ОС потребительского класса, представленная двумя подклассами: ОС для офисного использования (MS Windows 2000 Professional, Windows XP Professional, Windows XP 64-Bit Edition) и ОС для домашнего пользователя (MS Windows 98SE, Windows Millenium Edition, Windows XP Home Edition);

– Windows CE, рассчитанная на карманные и встроенные компьютеры. Она ориентирована на специфические применения малых компьютеров, их малую память и производительность.

Все направления сконцентрированы на использовании единого интерфейса прикладного программирования (Application programming interface, API) и динамически подключаемых библиотек (Dynamic-link libraries, DLL). Среди множества DLL основными являются:

– Kernel32.dll – управление процессами, потоками, памятью (см. п. 3.5);

– User32.dll – поддержка API, каркасов приложений и передачи сообщений;

– CDI32.dll – графика и ввод-вывод информации.

Корпоративная версия операционных систем знаменует серьезность намерений фирмы Microsoft в борьбе за рынок серверных систем, традиционно принадлежащий производителям коммерческих версий ОС Unix, фирмам Novell и Sun. В основу разработки системы ставится надежность, защита данных, поддержка необходимого для корпоративных пользователей набора офисных приложений и улучшение процедур сетевого администрирования.

Операционная система Windows 2000 упрочила положение Microsoft на рынке корпоративных систем и является сейчас в этом секторе самой популярной ОС семейства Windows. В ее состав включены четыре версии:

– Windows Professional – для профессиональной работы на автономных ПК;

– Windows 2000 Server используется для создания и управления серверами рабочих групп и отделов;

– Windows Advanced Server, для создания сложных приложений и более надежных серверов (до 8 процессоров);

– Windows Data Center (центр обработки данных, вычислительный центр) (центр обработки данных, вычислительный центр) (центр обработки данных, вычислительный центр), для создания наиболее ответственных систем обработки данных (до 32 процессоров).

Они представлены в порядке возрастания их возможностей. Последние три версии служат для комплектования серверов компьютерных сетей в зависимости от их класса. Кроме того, для малых предприятий (до 50 компьютеров) Microsoft предлагает Small Business Server 2000, представляющий собой комплект: Windows 2000 Server, Exchange 2000 Server, Internet Security and Acceleration (ISA) Server 2000, SQL Server2000, FrontPage 2000.

Следующая версия Windows XP, появившаяся в 2002 году как промежуточная, и Windows.net, ожидающаяся 2004 году, развивают это направление. Включение в их состав версий Data Center показывает направленность Microsoft на построение в компьютерных сетях коммерческих вычислительных центров. Например, Windows Server 2003 содержит компоненты:

– Windows Server 2003 Web Edition – для хостинга web-приложений;

– Windows Server 2003 Standard Edition – для серверов и рабочих групп:

– Windows Server 2003 Enterprise Edition – для приложений и более надежных серверов (до 8 процессоров);

– Windows Server 2003 Datacenter Edition – для наиболее ответственных систем обработки данных (до 32 процессоров).

Ориентация на Web-сервисы сетей позволяет на практике полностью осуществить идею «клиент-сервер». «Тонкий» клиент, имеющий практически лишь Web-браузер, может получать все требуемые услуги от «толстого» сервера и вычислительного центра, управляемого им.

Больших успехов и признательности пользователей-профессионалов добилась операционная система Linux. Она также, как и последние версии Windows, является многозадачной, многопроцессорной и многопользовательской средой. Отличительными ее особенностями служат свободное и бесплатное распространение, открытость программного кода, что позволяет постоянно ее совершенствовать; более высокая, чем у Windows, надежность и устойчивость, масштабируемость (см. п. 1), а также ориентация на Unix-платформу.

Дата добавления: 2014-12-29