Лекция 5. Назначение и основные функции операционных систем

UNIX

ОС UNIX была первоначально разработана в 1969 г. сотрудниками фирмы Bell Laboratories Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи. В 1971 г. система была перенесена на машины чрезвычайно распространенной в 70-е годы серии PDP-11, а в 1973 г. Ритчи переписал систему на языке C, оставив лишь минимум текста на языке ассемблера. В первое десятилетие существования UNIX и сама система, и ее исходные тексты распространялись свободно, что привело к чрезвычайной популярности системы в научных кругах и университетах. Усовершенствования системы могли вноситься каждым желающим и обсуждались «всем миром». Оборотной стороной такой открытости стала трудность стандартизации UNIX. Однако в 1988-1990 гг. был разработан набор стандартов, получивший название POSIX (Portable OS, а окончание IX – как намек на UNIX). Эти стандарты фиксировали современные требования к системам типа UNIX с учетом теоретических и практических достижений за прошедшие годы.

Начиная с первых версий, UNIX представляет собой многозадачную, многопользовательскую систему разделения времени. Основными достоинствами UNIX являются ее высокая мобильность, хорошо продуманный программный и пользовательский интерфейс. Общепризнанной особенностью UNIX является внутренняя красота, элегантность основных архитектурных решений. Как известно, красота программы является верным признаком ее удачной конструкции и дает основания надеяться, что программа способна к совершенствованию и будет служить долго. Многолетняя история UNIX подтверждает это правило.

К недостаткам UNIX можно отнести более низкую эффективность и надежность работы, что в значительной мере является платой за мобильность. Традиционная модель безопасности UNIX не соответствует современным требованиям, поэтому в различные коммерческие версии приходится включать дополнительные средства защиты данных. Широкому распространению UNIX мешает также то, что процедуры установки и настройки системы не так просты, как у Windows, и при их выполнении желательно участие программиста.

В 80-е годы были попытки превратить UNIX в коммерческую систему. Однако в 1991-1994 гг. Линус Торвальдс, в то время студент-программист из Хельсинки, заново написал систему, соответствующую стандартам POSIX, но отличающуюся от традиционной UNIX большей надежностью и эффективностью. Эта система получила название Linux. Исходные тексты Linux свободно распространяются, что позволяет, как во времена молодости UNIX, развивать систему общими усилиями огромного сообщества заинтересованных программистов. Эффективной координации этих усилий очень способствует Интернет. Несколько позднее был открыт свободный доступ к текстам известной версии UNIX FreeBSD.

Архитектура UNIX, первоначально предназначенная для систем разделения времени с одним процессором, впоследствии оказалась вполне подходящей для поддержки сетевых систем. Значительная часть серверов Интернета работает под управлением той или иной версии UNIX.

В настоящее время происходит ощутимое сближение разных типов ОС, предназначенных для поддержки одних и тех же типов вычислительных систем. Современные версии UNIX и Windows предоставляют весьма близкие функциональные возможности, хотя зачастую в совершенно разной форме. Выравниваются также характеристики надежности и производительности систем.

Существенным отличием UNIX от Windows остается место, занимаемое в системе средствами графического интерфейса. Если в Windows окна и все, что с ними связано, являются неотъемлемой частью архитектуры системы, то для UNIX по традиции основным средством интерфейса с пользователем является текстовая консоль. Те или иные средства оконного интерфейса, конечно, присутствуют в современных UNIX-системах, но как дополнительная, необязательная надстройка скорее прикладного, чем системного характера.

Очень интересной особенностью UNIX является развитый язык команд shell, который позволяет не только вести элементарный диалог с системой, но и писать своеобразные программы (скрипты), с помощью которых часто удается решить требуемую задачу, не прибегая к разработке новой программы на одном из традиционных языков программирования.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте ОС MS-DOS.

2. Назовите основные достоинства ОС UNIX.

3. В чем основное отличие ОС UNIX от ОС Windows?

(4 часа)

ОС – это программа, контролирующая работу пользовательской программы и систем приложений и исполняемая роль интерфейса между приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.

ОС – это комплекс взаимосвязанных программ, которые действуют как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны и аппаратурой компьютера – с другой.

ОС это комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает, как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем, а другое предназначение для более эффективного пользования ресурсов вычислительной системы и организации надёжных вычислений.

Функции ОС:

1. Управление устройствами (периферийные устройства, подключаемые к компьютеру, – клавиатура, монитор, принтеры, диски).

2. Управление данными (работа с файлами, хотя были времена, когда обращение к данным на магнитных носителях выполнялось путем указания адреса размещения данных на устройстве, а понятия файла не существовало).

3. Управление процессами (запуск и завершением работы программ, обработка ошибок, обеспечение параллельной работы нескольких программ на одном компьютере, операционная система должна передавать управление другими процессами и ожидать, когда процессор снова позволит ей выполнить свои обязанности).

4. Управление памятью (оперативная память компьютера – это такой ресурс, которого всегда не хватает. В этих условиях разумное планирование использования памяти является важнейшим фактором эффективной работы).

Операционные системы предоставляют следующие сервисы:

1) разработка программ. Операционная система предоставляет программисту разнообразные инструменты и сервисы, например, редакторы и отладчики. Эти сервисы, реализованные в виде программных утилит, которые поддерживают операционные системы, хотя и не входят в его ядро, такие программы называют инструментами разработки приложений;

2) исполнение программ. Для запуска программы требуется выполнить ряд действий. Следует загрузить в основную память команды и данные, инициализировать устройства. Операционная система выполняет рутинную работу;

3) доступ к устройствам ввода/вывода. Для управления работой каждым устройством ввода/вывода нужен свой набор команд или контролируемый сигнал. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который вскрывает все эти детали и обеспечивает программисту доступ к устройствам ввода/вывода с помощью простых команд чтения и записи;

4) контролируем доступ к файлам. При работе с файлами, управление его стороны операционной системы предназначено не только понимание природы устройств ввода/вывода и знание структур данных записанные в файлах. Многопользовательские операционные системы, кроме того, обеспечивают работу механизмов защиты при обращении к файлам;

5) системы доступа. Операционная система управляет доступом к общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она должна обеспечить защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, также разрешать конфликтные ситуации;

6) обнаружение ошибок и их обработка. При работе компьютерной системы происходят различные сбои, к их числу относятся внутренние и внешние ошибки, возникшие в аппаратном обеспечении, например, ошибки памяти, отказ или сбой устройств, возможны и программные ошибки: арифметическое переполнение, попытка обратиться к ячейке памяти, доступ к которым запущен и невозможность выполнения запроса приложения. В каждом из этих случаев операционная система должна выполнить действие, минимизирующее влияние ошибки на работу приложения. Реакция операционной системы на ошибку может быть различной: от простого сообщения об ошибке, до аварийной остановки программы;

7) учёт использования ресурсов. Хорошая операционная система должна иметь средства учёта использования различных ресурсов и отображение параметров производителя. Эта информация крайне важна для дальнейшего улучшения и настройки система, для повышения производительности.

Часть операционной системы находится в оперативной памяти (основная, базовая). В эту часть входят ядро, содержащее основную часть наиболее часто используемых функций, там же находятся и некоторые другие компоненты операционной системы, использующиеся в данный момент времени.

Остальная часть содержит другие программы и данные пользователя. Размещение этих данных в оперативной памяти управляется совместно операционной системой и аппаратной частью процессора, предназначенной для управления памятью. Операционная система принимает решение, когда исполняющая программа может испортить нужные ей устройства ввода/вывода и управляет доступом к файлам.

Процессор также является ресурсом, которому операционная система должна определить, сколько времени он должен уделить исполнению той или иной пользовательской программы. Многопроцессорные системы: решение должно быть принято по каждому процессу.

Имеется еще несколько важных обязанностей, ложащихся на ОС, которые трудно втиснуть в рамки традиционной классификации функций. К ним, прежде всего, относятся следующие.

Организация интерфейса с пользователем. Формы интерфейса могут быть разнообразными, в зависимости от типа и назначения ОС: язык управления пакетами заданий, набор диалоговых команд, средства графического интерфейса.

Защита данных. Как только система перестает быть достоянием одного изолированного от внешнего мира пользователя, вопросы защиты данных от несанкционированного доступа приобретают первостепенную важность. ОС, обеспечивающая работу в сети или в системе разделения времени, должна соответствовать имеющимся стандартам безопасности.

Ведение статистики. В ходе работы ОС должна собираться, храниться и анализироваться разнообразная информация: о количестве времени, затраченном различными программами и пользователями, об интенсивности использования ресурсов, о попытках некорректных действий пользователей, о сбоях оборудования. Собранная информация хранится в системных журналах и в учетных записях пользователей.

Для понимания работы ОС необходимо уметь выделять основные части системы и их связи, т.е. описывать структуру системы. Ядро это основная, «самая системная» часть операционной системы. Имеются разные определения ядра. Согласно одному из них, ядро – это резидентная часть системы, т.е. к ядру относится тот программный код, который постоянно находится в памяти в течение всей работы системы. Остальные модули ОС являются транзитными, т.е. подгружаются в память с диска по мере необходимости на время своей работы.

К транзитным частям системы относятся:

утилиты – отдельные системные программы, решающие частные задачи, такие как форматирование и проверку диска, поиск данных в файлах, мониторинг (отслеживание) работы системы;

системные библиотеки подпрограмм, позволяющие прикладным программам использовать различные специальные возможности, поддерживаемые системой (например, библиотеки для графического вывода, для работы с мультимедиа);

интерпретатор команд – программа, выполняющая ввод команд пользователя, их анализ и вызов других модулей для выполнения команд;

системный загрузчик – программа, которая при запуске ОС (например, при включении питания) обеспечивает загрузку системы с диска, ее инициализацию и старт;

другие виды программ, в зависимости от конкретной системы.

Не менее важным является определение ядра, основанное на различении режимов работы компьютера. Все современные процессоры поддерживают, как минимум, два режима: привилегированный режим (режим ядра) и непривилегированный (режим задачи, режим пользователя). Программы, работающие в режиме ядра, имеют полный, неограниченный доступ ко всем ресурсам компьютера: его командам, адресам, портам ввода/вывода. В режиме задачи возможности программы ограничены, она, в частности, не может выполнить некоторые специальные команды. Аппаратное разграничение возможностей является абсолютно необходимым условием реализации надежной защиты данных в многопользовательской системе. Отсюда вытекает и определение ядра как части ОС, работающей в режиме ядра. Все остальные программы, как системные утилиты, так и программы пользователей, работают в режиме пользователя и должны обращаться к ядру для выполнения многих системных действий.

Следует сказать, что переходы из режима пользователя в режим ядра и обратно – это действия, требующие определенного времени, и слишком частое их выполнение может привести к заметному снижению скорости работы программ. В связи с этим определение того, какие функции должны поддерживаться ядром, а какие лучше выполнять в режиме пользователя – это непростая и важная задача, которую должны решить разработчики ОС.

Особую роль в структуре системы играют драйверы устройств. Эти программы, предназначенные для обслуживания конкретных периферийных устройств, несомненно, можно отнести к ядру системы: они почти всегда являются резидентными и работают в режиме ядра. Но в отличие от самого ядра, которое изменяется только при появлении новой версии ОС, набор используемых драйверов весьма мобилен и зависит от набора устройств, подключенных к данному компьютеру. В некоторых системах (например, в ранних версиях UNIX) для подключения нового драйвера требовалось перекомпилировать все ядро. В большинстве современных ОС драйверы подключаются к ядру в процессе загрузки системы, а иногда разрешается даже загрузка и выгрузка драйверов в ходе работы системы.

В качестве программного интерфейса системы, т.е. средств для обращения прикладных программ к услугам ОС, используется документированный набор системных вызовов. Под системными вызовами понимаются функции, реализуемые непосредственно программами ядра системы. При их выполнении происходит переход из режима пользователя в режим ядра, а затем обратно.

Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением операционных систем. На схеме отображена обобщённая процедура программного обеспечения.

Прикладные Программы
Утилиты
Операционная система
Аппаратное обеспечение компьютера

Видно, что не один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой операционной системы, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователь взаимодействует со своими программами через интерфейс. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладные программы, проходят через операционные системы, основными функциями, которые выполняются операционной системой, являются:

1) приём от пользователя заданий или команд, формулированных на соответствующем языке и их обработка;

2) приём и исполнение программы запроса на запуск/приостановку других программ;

3) загрузка в оперативную память, подлежащие исполнению, программы;

4) инициализация программ (передача ей управления), в результате чего процессор использует программу;

5) идентификация программ;

6) обеспечение работы системы управления файлами базы данных, что позволяет резко увеличить эффективность программного обеспечения;

7) обеспечение режима мультипрограммирования, т.е. выполнение двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения;

8) обеспечение функции по организации и управления всеми операциями ввода и вывода;

9) удовлетворение жёстким ограничениям на время в режиме реального времени;

10) распределение памяти:

а) организация виртуальной памяти;

б) в большинстве современных систем.

11) планирование и диспетчеризация в соответствии с заданием;

12) организация обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

13) защита одной программы от влияния других программ, обеспечение сохранение данных;

14) предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

15) обеспечение работы системы программ, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

Вопросы для самоконтроля

1. Понятие ОС.

2. Назовите функции ОС.

3. Что выполняется в операционной среде?

4. Структура ОС.

5. Что такое резидентная и транзитная части ОС?

6. Сервисы ОС. Перечислите их.

7. Обязанности ОС.

8. Какие режимы поддерживают современные процессоры?

Дата добавления: 2014-11-16