Операционные системы

2.2. Операционные системы общего назначения (ОС). К этому классу относятся системы, берущие на себя выполнение всех функций. Разделение на ОС и ДОС идет от систем IBM DOS/360 и OS/360 для больших компьютеров, клоны которых известны под названием ЕС ЭВМ серии 10ХХ. ОС общего назначения рассчитаны на интерактивную работу одного или нескольких пользователей в режиме разделения времени при не очень жестких требованиях ко времени 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. Обычно подобные системы используют встроенные в архитектуру процессора средства защиты и виртуализации памяти. К этому классу относятся широко распространенные системы семейства Windows 2000 и семейства Unix.

2.3. Системы виртуальных машин (СВМ) – операционные системы, допускающие одновременную работу нескольких программ, но создающие при этом для каждой программы иллюзию того, что машина находится в полном ее распоряжении, как при работе под управлением ДОС. Зачастую, программой оказывается полноценная операционная система. Например: операционная система VMWare для машин с архитектурой х86 или VM для System/370 и ее потомков. Виртуальные машины являются ценным средством при разработке и тестировании кросс-платформенных приложений. Реже они используются для отладки модулей ядра или самой операционной системы. Такие системы отличаются высокими накладными расходами и сравнительно низкой надежностью, поэтому относительно редко находят промышленное применение. Часто СВМ являются подсистемой операционных систем общего назначения: MS DOS и MS Windows-эмуляторы для UNIX и OS/2, подсистема WoW в Windows NT/2000/XP, DOS в Windows З.х/95/98/МЕ, эмулятор RT-11 в VAX/ VMS. В системах виртуальных машин, как правило, приходится уделять много внимания эмуляции работы аппаратуры. Например, несколько программ могут начать программировать системный таймер. СВМ должна отследить такие попытки и создать для каждой из программ иллюзию, что она запрограммировала таймер именно так, как «хотела».

2.4. Операционные системы реального времени – системы с гарантированным временем реакции на событие, используются в системах технологического управления атомными станциями, химическими производствами и пр. Они предназначены для облегчения разработки приложений реального времени, т. е. программ, управляющих некомпьютерным оборудованием, часто с очень жесткими ограничениями по времени. Жесткими ограничениями по времени считаются такие ограничения, когда некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени или внутри заданного диапазона времени. Главным параметром таких систем является время.

Примеры: программа бортового компьютера самолета, системы управления ускорителем элементарных частиц или промышленным оборудованием. В системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами на фабрике. Часто такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Так, если автомобиль передвигается по конвейеру, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред машине. В вышеперечисленных случаях речь идет о жесткой системе реального времени.

Подобные  системы обязаны поддерживать многопоточность, гарантированное время реакции на внешнее событие, простой доступ к таймеру и внешним устройствам. Способность гарантировать время реакции является отличительным признаком систем реального времени. Существует и другой вид: гибкая система реального времени, в которой допустимы случающиеся время от времени пропуски сроков выполнения операций. В эту категорию попадают цифровые аудио- и мультимедийные системы. Наиболее известные операционные системы реального времени: VxWorks и QNX.

2.5. Средства кросс-разработки – это системы, которые предназначены для создания программ в двухмашинной конфигурации, когда редактирование, компиляция, а зачастую и отладка кода производятся на инструментальной машине, а потом скомпилированный код загружается в целевую систему. Чаще всего они используются для написания и отладки программ, позднее прошиваемых в постоянно запоминающем устройстве (ПЗУ). Примерами таких операционных систем являются системы программирования микроконтроллеров Intel, Atmel, PIC и др., системы Windows СЕ, Palm OS и т. д. Такие системы, как правило, включают в себя:

–   набор компиляторов и ассемблеров, работающих на инструментальной машине с нормальной операционной системой;

–   библиотеки, выполняющие большую часть функций операционных систем при работе программы, кроме загрузки программы;

–   средства отладки.

Иногда  встречаются кросс-системы, в которых компилятор работает не на инструментальной машине, а в целевой системе, например, так устроена среда разработки для семейства микропроцессоров Transputer компании Inmos.

2.6. Системы промежуточных типов. Существуют системы, которые нельзя отнести к одному из вышеперечисленных классов. Например:

–   система RT-11, которая, по сути своей, является ДОС, но позволяет одновременное исполнение нескольких программ с довольно богатыми средствами взаимодействия и синхронизации;

–   MS Windows 3.x и Windows 95, которые как операционные системы общего назначения используют аппаратные средства процессора для защиты и виртуализации памяти и даже могут обеспечивать некоторое подобие многозадачности, но не защищают себя и программы от ошибок других программ, подобно ДОС;

–   системы реального времени, подобные QNX, могут использоваться в качестве самостоятельной операционной системы, загружаемой с жесткого диска в оперативную память; в то же время, будучи прошиты в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), они могут быть отнесены одновременно к операционным системам общего назначения и к системам кросс-разработки.

3. Классификация операционных систем по числу одновременно выполняемых задач:

–   однозадачные операционные системы – системы, которые поддерживают режим выполнения только одной программы в отдельный момент времени, например, MS-DOS;

–   многозадачные операционные системы – системы, которые поддерживают параллельное выполнение нескольких программ в рамках одной вычислительной системы в один момент времени, например: UNIX, OS/2, Windows.

Многозадачная операционная система, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограмный режим. Многозадачный режим, который воплощает в себе идею разделения времени, называется вытесняющим (preemptive). Каждой программе выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другой программе. В таком режиме работают пользовательские программы большинства коммерческих операционных систем. В некоторых операционных системах (Windows 3.11) пользовательская программа может монополизировать процессор, т. е. работает в невытесняющем режиме. Как правило, в большинстве систем код операционной системы не подлежит вытеснению, ответственные программы, в частности задачи реального времени, также не вытесняются. К многозадачным относятся операционные системы:

–   пакетной обработки – из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

–   разделения времени – системы, которые обеспечивают одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;

–   реального времени – системы, которые обеспечивают определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя при управлении им внешними событиями, процессами или объектами по отношению к ЭВМ.

4. Классификация операционных систем по числу одновременно работающих пользователей:

–   однопользовательские операционные системы – системы, которые поддерживают работу только одного пользователя (MS-DOS, Windows 3.x);

–   многопользовательские операционные системы – системы, которые поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей за различными терминалами (Windows NT, Unix).

Наиболее  существенное отличие между этими  операционными системами заключается  в наличии у многопользовательских  систем механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.

5. Классификация операционных систем по разрядности кода:

–   8-разрядные;

–   16-разрядные;

–   32-разрядные;

–   64-разрядные.

Разрядность показывает, какую разрядность внутренней шины данных центрального процессора способна поддержать операционная система, и определяет программы, с которыми она будет работать. Все современные операционные системы поддерживают 32-разрядный интерфейс прикладных программ. Разрядность кода интерфейса прикладных программ имеет непосредственное отношение к адресному пространству оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Адресное пространство памяти – это область адресов памяти, распределяющейся между операционной системой и данными; между видеопамятью, памятью BIOS, блоком информации запрещенного режима работы и т. д. Операционная система может поддерживать два режима работы центрального процессора: реальный и защищенный. В реальном режиме работы процессора, характерном для MS-DOS, все программы и данные располагаются в одной области оперативной памяти, т. е. пользователь может войти в системную программу и случайно испортить ее. Защищенный режим работы процессора поддерживается 32-разрядными операционными системами и позволяет хранить программы и данные отдельно в соответствии с их важностью в системе.

6. Классификация операционных систем по количеству поддерживаемых процессоров:

–   однопроцессорные;

–   многопроцессорные.

До  недавнего времени вычислительные системы имели один центральный  процессор. В результате требований к повышению производительности появились многопроцессорные системы, состоящие из двух и более процессоров  общего назначения, осуществляющих параллельное выполнение команд. Данный способ увеличения мощности компьютеров заключается  в соединении нескольких центральных  процессоров в одной системе. В зависимости от вида соединения процессоров и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Для них требуются специальные операционные системы, но часто они представляют собой варианты серверных операционных систем со специальными возможностями связи.

Поддержка мультипроцессирования является важным свойством операционных систем и  приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная  обработка реализована в операционных системах: Linux, Solaris, Windows NT и др. Многопроцессорные операционные системы подразделяются:

–   на симметричные – на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, т. е. обработка полностью децентрализована, при этом каждому из процессоров доступна вся память;

–   асимметричные – системы, в которых процессоры неравноправны, обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

 

7. Классификация операционных систем по типу доступа пользователя к ЭВМ:

–    операционные системы пакетной обработки – из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

–   операционные системы разделения времени – системы, , обеспечивающие 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;

–    операционные системы реального времени – системы, которые обеспечивают определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними по отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами.

8. Классификация операционных систем по типу использования ресурсов.

8.1. Стандартные операционные системы (операционные системы общего назначения) – используются для реализации следующих задач:

–   управления аппаратными средствами компьютера;

–   создания рабочей среды и интерфейса пользователя;

–   выполнения команд пользователя и программных инструкций;

–   организации ввода-вывода;

–   хранения и управления файлами и данными.

Наиболее  известными стандартными операционными  системами являются MS-DOS, MS-Windows 95-98, Windows-2000, Professional, MS-Windows Nt, Ibm OS /2, At&T, Unix.

8.2. Сетевые операционные системы – системы, предназначеные для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, которые предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также сервисные возможности по использованию сетевых ресурсов. Сетевые операционные системы подразделяются на следующие типы:

–   одноранговые операционные системы, которые могут устанавливаться на любой рабочей станции и использоваться самостоятельно в виде отдельных программных средств, либо входить в состав пакетов, другую половину которых представляют программы, обслуживающие мощные компьютеры управления сетями – серверы, например: OS/2, Windows Nt Workstation;

–   серверные операционные системы, которые отличаются большей сложностью и мощностью, полностью заменяют собой стандартную операционную систему и состоят из 2 частей, одна из которых расположена на сервере, другая – на рабочих станциях.