Операционные системы и их классификация. Классификация операционных систем
Операционная система (ОС) – это комплекс программного обеспечения, основная задача которого обеспечивать возможность рационального использования оборудования компьютера наиболее удобным для пользователя образом.О С - это по преимуществу администратор ресурсов, она управляет процессорами, памятью, устройствами ввода-вывода и данными.
Обобщённую структуру вычислительной системы можно представить в виде совокупности технического и программного обеспечения. Техническое обеспечение: процессор, память, монитор, дисковые устройства и т.д. Все программное обеспечение принято делить на две части: прикладное и системное. К прикладному программному обеспечению, как правило, относятся разнообразные пользовательские программы, игры,
текстовые процессоры и т.п.
Системное программное обеспечение – комплекс программ, способствующих функционированию и разработке прикладных программ. Таким образом, операционная система является фундаментальным компонентом системного программного обеспечения.
Классификация ОС
Существует несколько подходов для классификации операционных систем. Можно отметить следующие критерии классификации:
– реализация многозадачности.
По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:
1 - многозадачные (Unix, OS/2, Windows), полностью реализует мультипрограммный режим;
2 - однозадачные (например, MS-DOS).
– поддержка многопользовательского режима.
По числу одновременно работающих пользователей ОС можно разделить на:
1 - однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);
2 - многопользовательские (Windows NT, Unix), характеризуются наличием у механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.
– многопроцессорная обработка.
По этому критерию ОС делятся на:
1 - однопроцессорные;
2 - многопроцессорные, характеризуются поддержкой мультипроцесси-рования и более сложными алгоритмами управления ресурсами (Linux, Solaris, Windows NT и в ряде других). Многопроцессорные системы состоят из двух или более центральных процессоров, осуществляющих параллельное выполнение команд.
Многопроцессорные ОС делятся на:
1 - симметричные, в которых на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована;
2 - асимметричные, в которых процессоры неравноправны, т.е. существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.
– работа в режиме реального времени.
Для работы в режиме реального времени предназначены специализированные ОС. Системы реального времени – операционные системы, характеризуемые предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Основное требование – система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем те могут поступать, причем от нескольких источников одновременно. Системы реального времени используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ.
Назначение
Главное назначение ОС - это управление ресурсами , а главные ресурсы, которыми она управляет, - это аппаратура компьютера:
Процессор,
Устройства ввода-вывода.
Функции
· ОС реализует множество различных функций, в том числе:
· определяет так называемый интерфейс пользователя,
· обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между пользователями,
· дает возможность работать с общими данными в режиме коллективного пользования,
· планирует доступ пользователей к общим ресурсам ,
· обеспечивает эффективное выполнение операций ввода-вывода ,
· осуществляет восстановление информации и вычислительного процесса в случае ошибок.
Требования
1. Надежностью. Система должна быть, по меньшей мере, так же надежна, как и аппаратура на которой она работает. В случае ошибки в программном или аппаратном оборудовании система должна обнаружить ошибку и либо попытаться исправить положение, либо постараться свести ущерб к минимуму.
2. Защитой. Система должна быть защищена от несанкционированного доступа.
3. Эффективностью. ОС представляет собой сложный комплекс программных средств, который использует значительную часть аппаратных ресурсов для своих собственных надобностей. Следовательно, сама система должна быть как можно более экономичной, чтобы большая часть ресурсов оставалась в распоряжении пользователей. Кроме того, система должна управлять ресурсами пользователей так, чтобы свести к минимуму время простоя, или, другими словами, добиться максимальной загруженности ресурса.
4. Предсказуемостью. Пользователь предпочитает, чтобы обслуживание не слишком сильно менялось в течение продолжительного времени. В частности, запуская программу, пользователь должен иметь представление, основанное на предыдущем опыте, о том, когда ему ожидать выдачи результатов.
5. Удобством. ОС должна быть достаточно гибкой и удобной для пользователя.
Системы можно разделить на несколько классов.
ДОС (Дисковые Операционные Системы). Это системы, берущие на себя выполнение только первых четырех функций. Как правило, это просто некий резидентный набор подпрограмм, не более того. Он загружает пользовательскую программу в память и передает ей управление, после чего программа делает с системой все, что ей заблагорассудится. Считается желательным, чтобы после завершения программы машина оставалась в таком состоянии, чтобы ДОС могла продолжить работу. (принципиально же, ДОС ничем не может помешать программе перевести систему в нерабочее состояние).
Дисковая операционная система MS DOS для IBM PC является примером систем подобного класса. Она, правда, умеет загружать несколько программ, но не предоставляет средств для исполнения этих программ. Более того, с точки зрения документированных функций, этим программам нельзя работать (существуют, однако, так называемые недокументированные задние двери (backdoors)).
Существование систем такого класса обусловлено их простотой и тем, что они потребляют мало ресурсов. Еще одна причина, по которой такие системы могут использоваться даже на довольно мощных машинах - требование программной совместимости с ранними моделями того же семейства компьютеров.
ОС. К этому классу относятся системы, берущие на себя выполнение всех вышеперечисленных функций. Разделение на ОС и ДОС идет, по-видимому, от систем IBM DOS/360 и OS/360 для больших компьютеров этой фирмы, клоны которых известны у нас в стране под названием ЕС ЭВМ серии 10XX. (Кстати, у IBM была еще TOS/360, Tape Operating System - Ленточная Операционная Система).
Здесь и далее под ОС мы будем подразумевать системы ``общего назначения"", то есть рассчитанные на интерактивную работу одного или нескольких пользователей в режиме разделения времени, при не очень жестких требованиях на время реакции системы на внешние события. Как правило, в таких системах уделяется большое внимание защите самой системы, программного обеспечения и пользовательских данных от ошибочных и злонамеренных программ и пользователей. Обычно такие системы используют встроенные в архитектуру процессора средства защиты и виртуализации памяти. К этому классу относятся такие широко распространенные системы, как VAX/VMS, системы семейства Unix и OS/2, хотя последняя не обеспечивает одновременной работы нескольких пользователей и защиты пользователей друг от друга.
Часто такие системы являются подсистемой ОС общего назначения: MS DOS и MS Windows-эмуляторы под UNIX и OS/2, окно DOS в MS Windows, эмулятор RT-11 в VAX/VMS.
Системы реального времени. Это системы, предназначенные для облегчения разработки так называемых приложений реального времени. Это программы, управляющие некомпьютерным по природе оборудованием, часто с очень жесткими ограничениями по времени. Примером такого приложения может быть программа бортового компьютера крылатой ракеты, системы управления ускорителем элементарных частиц или промышленным оборудованием. Такие системы обязаны поддерживать многопроцессность, гарантированное время реакции на внешнее событие, простой доступ к таймеру и внешним устройствам. Такие системы могут по другим признакам относиться как к классу ДОС (RT-11), так и к ОС (OS-9, QNX). Часто такие системы (например, VxWorks) рассчитаны на работу совместно с управляющей host-машиной, исполняющей "нормальную" операционную систему.
Кросс-загрузчики. Это системы - полностью ориентированные на работу с host-машиной. Чаще всего они используются для написания и отладки кода, позднее прошиваемого в ПЗУ. Это системы программирования микроконтроллеров семейства Intel 8048 и подобных им, TDS (Transputer Development System) фирмы Inmos, и многие другие. Такие системы, как правило, включают в себя набор компиляторов и ассемблеров, работающих на host-системе (реже - загружаемых с host-машины в целевую систему), библиотеки, выполняющие большую часть функций ОС при работе программы (но не загрузку этой программы!), и средства отладки.
Системы промежуточных типов. Существуют системы, которые с первого взгляда нельзя отнести к одному из вышеперечисленных классов. Такова, например, система RT-11, которая, по сути своей, является ДОС, но позволяет одновременное исполнение нескольких программ с довольно богатыми средствами взаимодействия и синхронизации. Другим примером промежуточной системы являются MS Windows 3.x и Windows 95 которые, как ОС, используют аппаратные средства процессора для защиты и виртуализации памяти и даже могут обеспечивать некоторое подобие многозадачной работы, но не защищают себя и программы от ошибок других программ.
Классификация операционных систем по семействам
Операционные системы семейства OS/2
Операционные системы семейства UNIX
Операционные системы семейства Linux
Операционные системы семейства Windows
Заключение
Введение
Операционная система, (сокращенно ОС) - комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой - предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.
В составе ОС различают 3 группы компонентов:
· оболочка с утилитами
В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).
Функции операционных систем (основные):
2. Стандартизированный доступ к периферийным устройствам;
3. Управление оперативной памятью;
4. Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях;
5. Пользовательский интерфейс;
6. Сетевые операции
7. Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность)
8. Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация
9. Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (авторизация, аутентификация)
Основные классификации операционных систем
Операционные системы могут различаться особенностями реализаций внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, устройствами, памятью), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.
Существует несколько классификаций операционных систем, в которых выделяют определенные критерии, отражающие разные существенные характеристики систем, рассмотрим наиболее часто встречающиеся:
По назначению
1. Системы общего назначения.
Подразумевает ОС, предназначенные для решения широкого круга задач, включая запуск различных приложений, разработку и отладку программ, работу с сетью и мультимедиа.
2. Системы реального времени.
Предназначены для работы в контуре управления объектами.
3. Прочие специализированные системы.
Это различные ОС, ориентированные, прежде всего на эффективное решение определенного класса, с большим или меньшим ущербом для прочих задач
По характеру взаимодействия с пользователем
1. Пакетные ОС, обрабатывающие заранее подготовленные задания
2. Диалоговые ОС, выполняющие задания пользователя в интерактивном режиме
3. ОС с графическим интерфейсом
4. Встроенные ОС, не взаимодействующие с пользователем
По числу одновременного выполнения задач
1. Однозадачные ОС.
В таких систем ах в каждый момент времени может существовать не более чем один пользовательский процесс. Однако, одновременно с этим, могут работать системные процессы
2. Многозадачные ОС.
Они обеспечивают параллельное выполнение некоторых пользовательских процессов. Реализация многозадачности требует значительного усложнения алгоритмов и структур данных, используемых в системе.
По числу одновременных пользователей
1. Однопользовательские ОС.
Для них характерен полный пользовательский доступ к ресурсам. Подобные системы приемлемы в основном на изолированных компьютерах.
2. Многопользовательские ОС.
Их важной компонентой являются средства защиты данных и процессов каждого пользователя, основанные на понятии владельца ресурса и на точном указании прав доступа, предоставленных каждому пользователю системы.
По аппаратурной основе
1. Однопроцессорные ОС.
2. Многопроцессорные ОС.
В задачи такой системы входит эффективное распределение выполняемых заданий по процессорам и организация согласованной работы всех процессоров.
3. Сетевые ОС.
Они включают возможность доступа к другим компьютерам локальной сети, работы с файловыми и другими серверами.
4. Распределенные ОС.
Распределенная система, используя ресурсы локальной сети, представляет их пользователю как единую систему, не разделенную на отдельные машины.
По способу построения
1. Микроядерные
Заключение
В настоящее время существует множество классификаций 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. С быстрым развитием в сфере компьютерной технологии, появлением новых ОС, возможно также появление новых классификаций, основанных на новых критериях.
Список используемой литературы
2. «Лекции по информатике. Учебное пособие» под редакцией А.М.Власова
3. «Операционные системы» Дроздов С.Н.
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.
Операционные системы классифицируются по:
Количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;
Числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: однозадачные, многозадачные;
Количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные;
Разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;
Типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);
Типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени;
Типу использования ресурсов: сетевые, локальные.
В соответствии с первым признаком классификации многопользовательские операционные системы, в отличие от однопользовательских, поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей за различными терминалами.
Второй признак предполагает деление ОС на многозадачные и однозадачные. Понятие многозадачности означает поддержку параллельного выполнения нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы, в один момент времени. Однозадачные ОС поддерживают режим выполнения только одной программы в отдельный момент времени.
В соответствии с третьим признаком многопроцессорные ОС, в отличие от однопроцессорных, поддерживают режим распределения ресурсов нескольких процессоров для решения той или иной задачи.
Четвертый признак подразделяет операционные системы на 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. При этом подразумевается, что разрядность операционной системы не может превышать разрядности процессора.
В соответствии с пятым признаком ОС по типу пользовательского интерфейса делятся на объектно-ориентированные (как правило, с графическим интерфейсом) и командные (с текстовым интерфейсом). Согласно шестому признаку ОС подразделяются на системы:
Пакетной обработки, в которых из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;
Разделения времени (TSR), обеспечивающих одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;
Реального времени, обеспечивающих определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними но отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами.
В соответствии с седьмым признаком классификации ОС делятся на сетевые и локальные. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, и предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также множество сервисных возможностей по использованию сетевых ресурсов.
В большинстве случаев сетевые операционные системы устанавливаются на один или более достаточно мощных компьютеров-серверов, выделяемых исключительно для обслуживания сети и совместно используемых ресурсов. Все остальные ОС будут считаться локальными и могут использоваться на любом персональном компьютере, а также на отдельном компьютере, подключенном к сети в качестве рабочей станции или клиента.
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 позволяет осуществить:
Увеличение пропускной способности ЭВМ, т.е. увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;
Уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами времени получения результатов;
Контроль работоспособности технических и программных средств;
Помощь пользователям и операторам при использовании ими технических и программных средств, обеспечения 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.
Операционная система представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода); с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.
Основная функция всех операционных систем - посредническая . Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:
Интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
Интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
Интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).
Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.
Основные критерии подхода к выбору операционной системы:
В настоящее время имеется большое количество операционных систем, и перед пользователем стоит задача определить, какая операционная система лучше других (по тем или иным критериям). Очевидно, что идеальных систем не бывает, любая из них имеет свои достоинства и недостатки. Выбирая операционную систему, пользователь должен представлять, насколько та или иная ОС обеспечит ему решение его задач.
Чтобы выбрать ту или иную ОС, необходимо знать:
На каких аппаратных платформах и с какой скоростью работает ОС;
Какое периферийное аппаратное обеспечение ОС поддерживает;
Как полно удовлетворяет ОС потребности пользователя, то есть каковы функции системы;
Каков способ взаимодействия ОС с пользователем, то есть насколько нагляден, удобен, понятен и привычен пользователю интерфейс;
Существуют ли информативные подсказки, встроенные справочники и т. д.;
Какова надежность системы, то есть ее устойчивость к ошибкам пользователя, отказам оборудования и т. д.;
Какие возможности предоставляет ОС для организации сетей;
Обеспечивает ли ОС совместимость с другими операционными системами;
Какие инструментальные средства имеет ОС для разработки прикладных программ;
Осуществляется ли в ОС поддержка различных национальных языков;
Какие известные пакеты прикладных программ можно использовать при работе с данной системой;
Как осуществляется в ОС защита информации и самой системы.
Методы декомпозиции операционных систем (монолитная, модульная, микроядерная).
В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем 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.
Ядро - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.
Типы архитектур ядер операционных систем:
Монолитное ядро
Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.
Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса Unix, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие части функции ядра.
Достоинства: скорость работы, упрощенная разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.
Недостатки: поскольку все ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.
Примеры: традиционные ядра UNIX(такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS.
Модульное ядро
Модульное ядро - современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.
В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).
Достоинства: модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра, не поддерживающие динамическую загрузку модулей, так как от разработчика не требуется многократная полная перекомпиляция ядра при работе над какой-либо его подсистемой или драйвером. Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются.
Недостатки: в свою очередь, не любая программа может быть сделана модулем ядра: на модули ядра накладываются определенные ограничения в части используемых функций (например, они не могут пользоваться функциями стандартной библиотеки С/С++ и должны использовать специальные аналоги, являющиеся функциями API ядра).
Примеры: семейство ОС GNU/Linux.
Микроядро
Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами.
Достоинства: устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы.
Недостатки: передача данных между процессами требует накладных расходов.
Примеры: Symbian OS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; Windows CE; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.
Интерфейс прикладного программирования (англ. Application Programming Interface, API [эй-пи-ай]; по-русски чаще произносят [апи́]) - набор готовых констант, структур и функций, используемых при программировании пользовательских приложений и обеспечивающих правильное взаимодействие между пользовательским приложением и операционной системой.
API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована. Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как черный ящик, то API - это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дергать.
Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию - высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов. По такому принципу построены протоколы передачи данных по Internet. Стандартный протокол Internet (сетевая модель OSI) содержит 7 уровней (от физического уровня передачи пакетов бит до уровня протоколов приложений, подобных протоколам HTTP и IMAP). Каждый уровень пользуется функциональностью предыдущего уровня передачи данных и, в свою очередь, предоставляет нужную функциональность следующему уровню.
Управление процессами
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.
Процессом называют программу в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство - список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы.
Чтобы лучше разобраться в понятии процесса, проведем аналогию с системой, работающей в режиме разделения времени. Предположим, ОС решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый израсходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора. Позже остановленный процесс должен быть запущен снова из того же состояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо сохранить. Так, процесс может иметь несколько одновременно открытых для чтения файлов. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию, т.е. номер байта или записи, которые будут прочитаны после повторного запуска процесса. При временном прекращении действия процесса все указатели нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих ОС вся информация о каждом процессе хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой связанный список структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс.
Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользователем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный момент времени процессор занят только одной программой, но за секунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми программами. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах, содержащих несколько процессоров, разделяющих общую память между собой. Производители операционных систем разработали концептуальную модель последовательных процессов , упрощающую наблюдение за работой параллельно идущих процессов.
Рассмотрим содержание и применение этой модели.
В модели процесса все функционирующее на компьютере ПО организовано в виде набора последовательных процессов, или просто процессов. Процессом является выполняемая программа вместе с текущими значениями счетчика команд, регистров и переменных. С позиций этой абстрактной модели у каждого процесса есть собственный центральный виртуальный процессор. На самом деле центральный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно, чем представлять процессор, переключающийся от программы к программе. Это переключение и называется многозадачностью или мультипрограммированием.
Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимодействие с пользователем и выполняют заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми. Они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может обеспечивать вывод на печать, другой может обрабатывать запросы к web-страницам.
Процессы могут создаваться не только в момент загрузки системы. Так текущий процесс может создать один или несколько новых процессов, при этом текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сформировать как набор связанных, но независимо взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого количества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в буфере, другой - для считывания и обработки данных из буфера. Такая схема даже ускорит обработку данных, если каждый процесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.
Как правило, процессы завершаются по мере выполнения своей работы. Так, после окончания компиляции программы компилятор выполняет системный запрос, чтобы сообщить ОС об окончании работы. В текстовых редакторах, браузерах и других программах такого типа есть кнопка или пункт меню, с помощью которых можно завершить процесс.
Процесс является независимым объектом со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, однако существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого процесса.
Модель процессов упрощает представление о внутреннем поведении системы. Некоторые процессы запускают программы, выполняющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя.
Рассмотренный подход описывается моделью, представленной на рис. 7.2. Нижний уровень ОС - это планировщик - небольшая программа. На верхних уровнях расположены процессы. Обработка прерываний и процедуры, связанные с остановкой и запуском процессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.
Процессы
Рис. 7.2. Нижний уровень ОС, отвечающий за прерывание и планирование
Процесс - выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ. Стандарт ISO 9000:2000 Definitions определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие. Компьютерная программа сама по себе это только пассивная совокупность инструкций, в то время как процесс - это непосредственное выполнение этих инструкций.
Часто процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и т.д.
Жизнь процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне (рис. 7.3.):
1) Процесс выполняется в режиме задачи.
2) Процесс выполняется в режиме ядра.
3) Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
4) Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
5) Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.
6) Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.
7) Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс.
8) Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.
9) Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.
Для описания состояний процессов используется несколько моделей. Самая простая модель - это модель трех состояний . Модель состоит из:
1. состояния выполнения
2. состояния ожидания
3. состояния готовности
Рисунок 7.3. Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние
Реализация модели процессов базируется на таблице процессов с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содержит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, распределении памяти, состоянии открытых файлов, об указателе стека, использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска процесса, как если бы он не останавливался.
Файловые системы
При наличии большого числа программ и данных необходим строгий их учет и систематизация. Операционным системам приходится работать с различными потоками данных, разными аппаратными и периферийными устройствами компьютера. Организовать упорядоченное управление всеми этими объектами позволяет файловая система .
На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе операционной системы UNIX. В ОС UNIX подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве. Таким образом, файловая система - это система управления данными.
Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учетом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных.
Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.
Пользователь, работая в контексте определенного языка программирования, обычно использует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определенную структуру. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т.д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.
Файловая система - еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Как было установлено, основной функцией операционной системы является маскирование особенностей работы дисков и других устройств и предоставление пользователю понятной и удобной абстрактной модели независимых от устройств файлов. Системные вызовы необходимы для создания, удаления, чтения или записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно разместить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.
При создании места для хранения файлов ОС использует понятие каталога как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса, каталог для электронной почты и каталог для своей домашней web-страницы. Для создания и удаления каталога также необходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение существующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталога могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру - файловую систему.
Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев (рис. 7.3). Иерархия процессов обычно не очень глубока, в ней редко бывает больше трех уровней, тогда как файловая структура достаточно часто имеет четыре, пять и даже больше уровней в глубину.
Рис. 7.3. Дерево каталогов
Иерархия процессов обычно живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.
Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинается из вершины структуры каталогов, называемой корневым каталогом. Абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов. Отдельные компоненты в ОС UNIX разделяются косой чертой /, а в MS-DOS и Windows - обратной косой чертой \.
Организация файловой системы
Файловая система характеризует способ хранения и поиска информации на внешнем носителе - жестком диске.
Данные в ПК размещены по иерархическому принципу: на верхнем уровне - логический диск, на втором уровне - папки (каталоги), на третьем - файлы/папки. Логический диск - это логическая единица жесткого диска ПК. Разметка жесткого диска осуществляется специальной программой. Количество и размер логических дисков определяются пользователем ПК. Традиционно дисководы для гибких дисков носят название А: и В:. Названия логических дисков винчестера начинаются с С:, D:, Е: и т. д. На диске С: обычно устанавливаются и хранятся системные программы и файлы, а начиная с диска D: - размещается личная информация пользователя.
Папки (каталоги, директории) - элементы файловой структуры, отвечающие за систематизацию информации в файловой системе. Состав папок, их название, их наличие определяются пользователем и его методами работы. С точки зрения файловой системы папка -это небольшой файл со списком содержимого данной папки.
Файл - это поименованная область на носителе информации (диске), содержащая данные. Имя файла определяется по определенным законам и состоит из 2-х частей: собственно имени и расширения (типа). Имя файла может содержать русские и латинские буквы, цифры и некоторые знаки (подчеркивание, пробел, дефис, #, $, ...), длина имени не более 255 символов. Некоторые знаки запрещены для использования в имени -*,?,/, \ и др., поскольку за ними закреплены в системе определенные функции. Расширение (тип) файла может отсутствовать, но его наличие очень полезно, поскольку позволяет пользователю узнать, какого типа информация находится в файле (.txt - текстовый файл, .doc - документ, . bmp - картинка и т.п.), а операционная система может определить, с помощью какого приложения (программы) можно этот файл прочитать.
Расширения.ехе, .com, .bat определяют исполняемые файлы, файлы, внутри которых находится информация, «понятная» ПК на внутреннем языке. Это расширения файлов-программ (приложений).
Для группировки файлов в группы с целью их поиска используются шаблоны имен. В них могут использоваться определенные символы - символы шаблонов. К ним относятся:
* - обозначает любое количество любых символов;
Любой один символ.
Рассмотрим несколько примеров (шаблонов):
*.txt - все файлы с расширением txt;
А*.ехе - исполняемые файлы, начинающиеся на А;
K*.doc - файлы со второй буквой К в названии, сделанные в программе Word.
Небольшой файл (до 1 Кб), содержащий строку адреса файла, называется ярлыком.
Путь (адрес) файла - это его местоположение в файловой системе. Например, для случая на рис. 7.4, путь к файлу file.txt будет таким:
D:\моя\задания\file.tхt
Рис. 7.4. Фрагмент файловой структуры
Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный . Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Нарушение целостности служебных сведений приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. Поэтому к системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами операционной системы.
Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор . Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен, а для некоторых файловых систем - просто невозможен. В связи с этим группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован. Обычно он зависит от емкости диска.
Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT16 . Она позволяет разместить в FAT -таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.
Для жестких дисков, объем которых приближается к 2 Гбайт, потери, связанные с неэффективностью этой файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT16 вообще работать не может.
Начиная с Windows 98 операционные системы семейства Windows (Windows 98, Windows Me, Windows2000, WindowsXP) поддерживают более совершенную версию файловой системы на основе FAТ -таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).
Операционные системы Windows NT и Windows XP способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS . В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в главной таблице файлов (MFT). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. Однако сучетом типичных характеристик современных компьютеров можно говорить о том что в настоящее время эффективность FAT32 и NTFS примерно одинакова.
Обслуживание файловой структуры
Несмотря на то что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции , происходящие под управлением операционной системы:
Создание файлов и присвоение им имен;
Создание каталогов (папок) и присвоение им имен;
Переименование файлов и каталогов (папок);
Копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;
Удаление файлов и каталогов (папок);
Навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);
Управление атрибутами файлов.
Сравнение файловых систем Microsoft Windows.
Под управлением MS Win2000 возможно использование файловых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Цифры в названии файловых систем - FAT16 и FAT32 - указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адресация и, соответственно, возможно использование до 2 16 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2 28 .
Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:
Файловая система поддерживается ОС MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми ОС UNIX;
Существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;
При возникновении проблем с загрузкой с HDD система может быть загружена с системной дискеты;
Файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мб.
К недостаткам FAT16 можно отнести:
В FAT 16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.
Среди преимуществ FAT32 важно отметить следующие:
Выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;
Корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска, благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге;
За счет использования кластеров меньшего размера занятое дисковое пространство на 10-15 % меньше, чем под FAT16.
FAT32 является более надежной файловой системой, в частности, она поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использование резервной копии FAT.
Основные недостатки FAT32:
Размер тома под Win2000 ограничен 32 Гб;
Тома недоступны из других ОС - только из Win95 OSR2 и Win98;
Не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;
Не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие. При работе в Windows 2000 рекомендуется отформатировать все разделы HDD под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько ОС (кроме Windows 2000 и Windows NT).
Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:
Возможность восстановления. Эта возможность встроена в файловую систему, NTFS и гарантирует сохранность данных за счет того, что используются протокол и некоторые алгоритмы восстановления информации;
Определение 1 :Операционная система – это комплекс специальных программных средств, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других (пользовательских) программ, а также для планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.
Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования. Любая прикладная программа связана с операционной системой и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда (или должна быть обеспечена возможность конвертации - преобразования программ).
Существует два подхода к рассмотрению понятия ОС.
Операционная система как расширенная машина : использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода/вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода/вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.
С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.
Операционная система как система управленияресурсами: в соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования.
Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:
планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов - и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;
отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.
Классификация операционных систем
Рассмотрим основные функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера.
1. Поддержка многозадачности . По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:
однозадачные (например, MSDOS, MSX);
многозадачные (ОС ЕС, OS/2, UNIX, Windows 95).
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 выполнения вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
2. Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся:
на однопользовательские (MSDOS, Windows 3.x,);
многопользовательские (UNIX, WindowsNT).
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:
невытесняющая многозадачность;
вытесняющая многозадачность
Поддержка многонитевости. Важным свойством ОС является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).
Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мулътипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.