Операционные системы

Программное обеспечение ЭВМ

Классификация программного обеспечения
системное	прикладное	системы программирования
Операционные системы; Системные утилиты.	Общего назначения	Специального назначения	Профессионального уровня	Языки программирования низкого уровня; Языки программирования высокого уровня.
Текстовые редакторы; Графические редакторы; Электронные таблицы; Электронные презентации; СУБД.	Авторские системы; Экспертные системы; Системы мультимедиа; Игры.	АСНИ; САПР; АСУ; АРМ; Системы телекоммуникаций.

Особое место среди программных средств всех типов занимают операционные системы, являясь ядром программного обеспечения.

Операционная система (ОС) – это комплекс программ, обеспечивающих:

Ø управление ресурсами, т. е. согласованную работу всех аппаратных средств ком­пьютера;

Ø управление процессами, т. е. выполнение программ, их взаимодействие с уст­ройствами компьютера и с данными;

Ø пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, вы­полнение определенных простых команд — операций по обработке информации.

Такое определение ОС уже апеллирует к ее функциям, поэтому рассмотрим эти функции подробнее.

ОС – наиболее машиннозависимый вид программного обеспечения, ориенти­рованный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управ­ляют их устройствами или, как еще говорят, обеспечивают интерфейс между пользо­вателем и аппаратной частью компьютера.

В той мере, в какой это необходимо для понимания функций операционных систем, аппаратную часть компьютера можно представить состоящей из следу­ющих элементов:

Ø центрального процессора, имеющего определенную архитектуру (структуру регистров, набор и форму представления команд, формат обрабатываемых данных и т.д.) и характеризующегося производительностью, т.е. количеством простейших операций, выполняемых в единицу времени, а также другими качествами;

Ø оперативной памяти, характеризующейся емкостью (объемом) и скоростью обмена данными (прежде всего с центральным процессором);

Ø периферийных устройств, среди которых имеются:

устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер и др.);

устройства вывода (дисплей, принтер, графопостроитель и др.);

внешние запоминающие устройства (дисководы для магнитных и оптичес­ких дисков и др.);

мультимедийные устройства.

Все эти аппаратные устройства обобщенно называют ресурсами компьютера.

В сравнении с оперативной памятью внешние запоминающие устройства обла­дают очень большой емкостью. Например, емкость встроенного накопителя персо­нальных компьютеров – винчестера – обычно в 50 – 100 раз больше объема опе­ративной памяти. Для других устройств – накопителей на гибких магнитных и оптических дисках – используются сменные носители информации, однако время доступа к информации на внешних запоминающих устройствах значительно боль­ше (в тысячи раз), чем к информации в оперативной памяти.

За время существования компьютеров ОС претерпели значительную эволюцию. Так, первые ОС были однопользовательскими и однозадачными. Эффективность ис­пользования ресурсов компьютера в этом случае оказывалась невысокой из-за про­стоев всех, кроме одного работающего периферийного, устройств компьютера. На­пример, при вводе данных простаивали центральный процессор, устройства выво­да и внешние запоминающие устройства.

По мере роста возможностей, производительности и изменениях в соотноше­нии стоимости устройств компьютера положение стало нетерпимым, что привело к появлению многозадачных ОС, остававшихся однопользовательскими.

Такие ОС обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, парал­лельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполня­ющимися заданиями. Так, например, одно задание может выполнять ввод данных, другое – выполняться центральным процессором, третье – выводить данные, четвертое – стоять в очереди. Важнейшее техническое решение, обусловившее такие возможности, – появление у внешних устройств собственных процессоров (контроллеров).

При многозадачном режиме:

Ø в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей;

Ø время работы процессора разделяется между программами, находящимися в оперативной памяти и готовыми к обслуживанию процессором;

Ø параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различ­ными внешними устройствами.

Наиболее совершенны и сложны многопользовательские многозадачные ОС, ко­торые предусматривают одновременное выполнение многих заданий нескольких пользователей, обеспечивают разделение ресурсов компьютера в соответствии с приоритетами пользователей и защиту данных каждого пользователя от несанкци­онированного доступа. В этом случае ОС работает в режиме разделения времени, т. е. обслуживает многих пользователей, работающих каждый со своего терминала.

Суть режима разделения времени состоит в следующем. Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к исполнению, выделяется для ис­полнения фиксированный, задаваемый в соответствии с приоритетом пользовате­ля интервал времени (интервал мультиплексирования). Если программа не выпол­нена до конца за этот интервал, ее исполнение принудительно прерывается, и программа переводится в конец очереди. Из начала очереди извлекается следу­ющая программа, которая исполняется в течение соответствующего интервала муль­типлексирования, затем поступает в конец очереди и т.д. в соответствии с цикли­ческим алгоритмом. Если интервал мультиплексирования достаточно мал (при­близительно 200 мс), а средняя длина очереди готовых к исполнению программ невелика (приблизительно 10), то очередной квант времени выделяется програм­ме каждые 2 с. В этих условиях ни один из пользователей практически не ощущает задержек, так как они сравнимы со временем реакции человека.

Одной из разновидностей режима разделения времени является фоновый ре­жим, когда программа с более низким приоритетом работает на фоне программы с более высоким приоритетом. Работа в фоновом режиме реального времени ана­логична работе секретаря руководителя. Секретарь занимается текущими делами до тех пор, пока начальник не дал срочное поручение.

Помимо рассмотренных режимов организации вычислительного процесса, все большее распространение получает схема, при которой ЭВМ управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и информацию, непосредственно посту­пающую от объекта управления. Поскольку определяющим фактором являются реально поступающие от объекта управления данные, такой режим называют режи­мом реального времени, а его организация возлагается на специализированную ОС.

Остановимся на некоторых понятиях, важных для понимания принципов функ­ционирования всех ОС.

Понятие процесса играет ключевую роль и вводится применительно к каждой программе отдельного пользователя. Управление процессами (как целым, так и каждым в отдельности) – важнейшая функция ОС. При исполнении программ на центральном процессоре следует различать следующие характерные состояния:

порождение – подготовку условий для исполнения задания процессором;

активное состояние (или «счет») – непосредственное исполнение задания процессором;

ожидание – по причине занятости какого-либо требуемого ресурса;

готовность – программа не исполняется, но все необходимые для исполнения программы ресурсы, кроме центрального процессора, предоставлены;

окончание – нормальное или аварийное завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Понятие «ресурс» применительно к вычислительной технике следует понимать как функциональный элемент вычислительной системы, который может быть вы­делен процессу на определенный промежуток времени. Наряду с физическими ресурсами – реальными устройствами ЭВМ – средствами современных ОС могут создаваться и использоваться виртуальные (воображаемые) ресурсы, являющиеся моделями физических. По значимости виртуальные ресурсы – одна из важней­ших концепций построения современных ОС. Виртуальный ресурс представляет собой модель некоего физического ресурса, создаваемую с помощью другого фи­зического ресурса. Например, характерным представителем виртуального ресурса является оперативная память. Компьютеры, как правило, располагают ограничен­ной по объему оперативной памятью (физической). Функционально ее объем мо­жет быть увеличен путем частичной записи содержимого оперативной памяти на магнитный диск. Если этот процесс организован так, что пользователь восприни­мает всю расширенную память как оперативную, то такая «оперативная» память называется виртуальной.

Наиболее законченным проявлением концепции виртуальности является поня­тие виртуальной машины, являющееся исходным при программировании на язы­ках высокого уровня, например Паскале. Виртуальная машина есть идеализиро­ванная модель реальной машины, изолирующая пользователя от аппаратных осо­бенностей конкретной ЭВМ, воспроизводящая архитектуру реальной машины, но обладающую улучшенными характеристиками:

Ø бесконечной по объему памятью с произвольно выбираемыми способами до­ступа к ее данным;

Ø одним (или несколькими) процессами, описываемыми на удобном для пользо­вателя языке программирования;

Ø произвольным числом внешних устройств произвольной емкости и доступа.

Концепция прерываний выполнения программ является базовой при постро­ении любой ОС. Из всего многообразия причин прерываний необходимо выделить два вида: первого и второго рода.

Системные причины прерываний первого рода возникают в том случае, когда у процесса, находящегося в активном состоянии, возникает потребность либо полу­чить некоторый ресурс или отказаться от него, либо выполнить над ресурсом какие-либо действия. К этой группе относят и так называемые внутренние прерыва­ния, связанные с работой процессора (например, арифметическое переполнение или исчезновение порядка в операциях с плавающей запятой).

Системные причины прерывания второго рода обусловлены необходимостью проведения синхронизации между параллельными процессами.

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последо­вательность действий:

Ø восприятие запроса на прерывание;

Ø запоминание состояния прерванного процесса, определяемое значением счет­чика команд и других регистров процессора;

Ø передача управления прерывающей программе, для чего в счетчик команд заносится адрес, соответствующий данному типу прерывания;

Ø обработка прерывания;

Ø восстановление прерванного процесса.

В большинстве ЭВМ первые три этапа реализуются аппаратными средствами, а остальные – блоком программ обработки прерываний ОС.

В настоящее время используется много типов различных ОС для ЭВМ различ­ных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих ОС можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, та­кие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению та­ких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входя­щие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ. Такие про­граммы называют резидентными. К резидентным относят также и программы-драйверы, управляющие работой периферийных устройств. Важной частью ОС является командный процессор – программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС. Кроме того, к ОС следует относить богатый набор утилит – обычно небольших программ, обслуживающих различные устройства компьютера (например: утилита форматирования магнитных дисков, утилита восстановления необдуманно уда­ленных файлов и т.д.).

Дата добавления: 2014-01-07