Операционные системы

К числу  серверных операционных систем с  высокой производительностью и  широкими сетевыми возможностями относятся: Windows NT Server Novell Net Ware, OS/2 SMP и др. Операционная система Windows 2000 Server базируется на платформе Windows NT Server, в отличие от которой имеет более высокую производительность и надежность. В состав семейства входят Windows 2000 Server для рабочих групп, Windows 2000 Advanced Server для приложений и более надежных серверов, Windows 2000 Data Saved Server или Windows 2000 Data Centered Server для наиболее ответственных систем обработки данных.

9. Классификация операционных систем по типу используемого интерфейса:

–   текстовые – операционные системы, основанные на интерфейсе командной строки, например: OS/360, CP/M, первые версии MS-DOS и UNIX;

–   поддерживающие графический интерфейс, например, семейства операционных систем Microsoft Windows.

10. Классификация по семействам операционных систем. Часто можно проследить преемственность между различными операционными системами, необязательно разработанными одной компанией. Преемственность обусловлена требованиями совместимости или переносимости прикладного программного обеспечения и заимствованием отдельных удачных концепций. На основании преемственности можно выстроить генеалогические деревья операционных систем и объединить их в семейства. Можно выделить минимум три семейства ныне эксплуатирующихся операционных систем и несколько вымерших или близких к тому:

–   системы для больших компьютеров фирмы IBM: OS/390, z/OS и IBM VM;

–   семейство Unix обширное, постоянно развивающееся, выделяют три рода: Unix System V Release 4.x: Sunsoft Solans, SCO UnixWare; Berkeley Software Distribution Unix: BSDI, FreeBSD; Linux;

–   семейство прямых и косвенных потомков Control Program/Monitor (СР/М) фирмы Digital Research; в этом семействе выделяют широко известное подсемейство \sisname{Win 32}-платформ;

–   семейство практически вымершее, но оставившее в наследство ряд важных и интересных концепций: операционные системы для мини- и микрокомпьютеров фирмы DEC: RT-11, RSX-11 и VAX/VMS;

–   семейства операционных систем Windows, в настоящее время существует несколько различающихся направлений в семействе:

·  Windows NT/2000;

·  Windows XP;

·  Windows 2003 Server.

Каждое  направление состоит из некоторого числа модификаций версий Windows, что позволяет выделить две области применения:

–   версии персональные, такие как Windows XP Home Edition;

–   версии для рабочих станций сетей, Windows 2000 Professional, Windows XP Professional;

–   версии для серверов сетей, Windows 2000 Server, Windows 2000 Advanced Server, Windows 2000 Datacenter Server, Windows 2003 Server.

Среди общего числа версий Windows есть преемники принципиально нового направления, технологии NT (New Technology, разрабатываемой Microsoft с 1989 г.). К операционным системам технологии NT предъявляется ряд повышенных требований, в сравнении с потребительскими версиями Windows: поддержка многопроцессорных систем, вытесняющая многозадачность, работа с виртуальной памятью, защищенная файловая система и др. К ним относятся все версии операционных систем Windows 2000 и Windows XP. Системные файлы этих модификаций одинаковы, как и ядро операционных систем. Они различаются между собой по числу поддерживаемых процессоров, объему поддерживаемой физической памяти, одновременному числу сетевых подключений и наличием дополнительных сетевых сервисов.

В сравнении  с предыдущими версиями (Windows 95/98/ME), у операционных систем технологии NT имеется ряд существенных отличий:

–   повышение надежности работы ядра системы и исключение возможности зависания операционной системы из-за зависания или некорректной работы пользовательской программы;

–   возможность использования не только файловых систем из предыдущих версий Windows: FAT16 и FAT32, но и более безопасной и надежной файловой системы NTFS (NT File System);

–   NTFS повышает безопасность компьютера, так как допускает защиту данных (файлов и папок) путем их шифрования и возможности установки запрета на доступ к ним, кроме этого, обеспечивает более высокую степень сжатия информации и полную поддержку разделов и файлов большого размера;

–   на одном компьютере можно запускать не только версии Windows 2000/XP, но и более ранние версии Windows 95/98/МЕ, для чего используется конфигурация с двойной загрузкой, где можно выбрать требуемую операционную систему в данном сеансе работы.

Выбор типа операционной системы часто  представляет собой сложную задачу. Некоторые приложения накладывают  жесткие требования, которым удовлетворяет  только небольшое количество систем. Например, задачи управления промышленным или исследовательским оборудованием  в режиме жесткого реального времени  вынуждают делать выбор между  специализированными операционными  системами реального времени и некоторыми операционными системами общего назначения, такими как Unix System V Release 4. Хотя Unix SVR4 теоретически способна обеспечивать гарантированное время реакции, системы этого семейства имеют ряд недостатков с точки зрения задач реального времени, поэтому чаще всего предпочтительными оказываются специализированные операционные системы (QNX, VxWorks, OS-9 и пр.). Другие приложения, например серверы баз данных, требуют высокой надежности и производительности, что отсекает системы класса ДОС и MS-Windows.

Некоторые задачи, такие как автоматизация  конторской работы в небольших организациях, не предъявляют высоких требований к надежности, производительности и времени реакции системы, поэтому можно выбирать между различными ДОС, MS-Windows, Mac OS и другими операционными системами общего назначения. При этом технические параметры системы перестают иметь значимость, так как основополагающую роль играют другие факторы.

ОСНОВНЫЕ  ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

По  современным представлениям ОС должна уметь делать следующее.

·               Обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную память и их исполнение (этот пункт не относится к ОС, предназначенным для прошивки в ПЗУ).

·               Обеспечивать управление памятью. В простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой. В многопроцессорных системах это сложная задача управления системными ресурсами.

·               Обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски, флэш-память и т. д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные в виде файловых систем.

·               Предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства или двигатели, поворачивающие рулевые плоскости истребителя.

·               Предоставлять некоторый пользовательский интерфейс. Слово некоторый здесь сказано не случайно — часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы. Встраиваемые системы часто не имеют никакого пользовательского интерфейса.

Существуют  ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа — дисковая операционная система MS DOS.

Более развитые ОС предоставляют также  следующие возможности:

·               параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач;

·               организацию взаимодействия задач друг с другом;

·               организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов;

·               защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ;

·                аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнить ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1. Вычислительные и операционные  системы. Общие понятия

Компьютерная  система является сложной комплексной  системой, состоящей из процессоров, оперативной памяти, дисковых накопителей, клавиатуры, монитора, сетевого оборудования, принтеров и пр. Написание программ, корректно использующих компоненты компьютерной системы, представляет собой очень сложную задачу. По этой причине компьютеры оснащаются специальным уровнем программного обеспечения – операционной системой, которая отвечает за управление вышеперечисленными компонентами и обеспечивает пользователя программами, имеющими простой интерфейс, для работы с аппаратурой.

В общей  структуре компьютера (рис. 1.1) операционная система расположена над аппаратным обеспечением, которое может состоять из двух или более уровней (слоев). Самый нижний уровень содержит физические устройства: интегральные микросхемы, проводники, источники питания и пр. Выше расположен уровень микроархитектуры, на котором физические устройства рассматриваются с точки зрения функциональных единиц, обычно на данном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора и арифметико-логическое устройство. Во время работы процессора на каждом такте из регистра выбирается один или два операнда, которые обрабатываются в арифметико-логическом устройстве. Результат сохраняется в одном или нескольких регистрах. В некоторых компьютерах операции над данными контролируются программными приложениями (микропрограммами), в других – аппаратными цепями. 

 

 

 

Рис. 1.1. Слои программного обеспечения  вычислительной системы

Команды, выполняемые процессором, передаются по маршруту передачи данных, причем некоторые  команды выполняются за один цикл передачи данных, другие требуют несколько  циклов при использовании регистров  или других возможностей аппаратуры. Команды, написанные на ассемблере, формируют  уровень, называемый машинным языком, который служит для перемещения данных, выполнения арифметических операций и сравнения величин. Управление устройствами осуществляется с помощью загрузки определенных данных в регистры устройств. Например, для выполнения команды «чтение с диска» в регистры диска записываются: адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения, тип действия (чтение/запись) и др.

Операционная  система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя сложную  работу вычислительной системы, избавить программиста от необходимости общения  с аппаратурой напрямую и предоставить ему более удобную систему  команд. Над операционной системой располагаются остальные системные  программы: интерпретатор команд (оболочка), компилятор, редактор и другие программы, которые запускаются в пользовательском режиме и могут иметь прямое отношение  к операционной системе. Выше расположены прикладные программы, которые используются для решения пользовательских задач.

Операционная система (ОС) – это совокупность программных средств, которые осуществляют управление ресурсами компьютера, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами и обеспечивают диалог пользователя с компьютером. Операционная система как комплекс системных и управляющих программ предназначена для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы и удобства работы с ней. Назначение операционных систем:

– 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.

Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации. Основными ресурсами вычислительной системы являются процессоры, области оперативной памяти, наборы данных, периферийные устройства, программы. Структура вычислительной системы (см. рис. 1.1):

– техническое обеспечение (hardware): процессор, память, монитор, дисковые устройства и т. д., объединенные магистральным соединением, называемым шиной;

– программное обеспечение: прикладное и системное.

К прикладному  программному обеспечению относятся  разнообразные пользовательские программы, игры, текстовые процессоры и т. п. К системному – программы, способствующие функционированию и разработке прикладных программ. Операционная система является фундаментальным компонентом системного программного обеспечения.

В зависимости  от ряда признаков различают следующие  вычислительные системы:

–      по количеству программ, одновременно находящихся в оперативной памяти: однопрограммные и многопрограммные вычислительные системы;

–    числу пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы вычислительной системы: индивидуального и коллективного пользования;

–   организации и обработки заданий: вычислительные системы с пакетной обработкой и с разделением времени;

–   числу процессоров: однопроцессорные вычислительные системы, многопроцессорные и многомашинные;

–   территориальному расположению и взаимодействию технических средств: сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и вычислительные системы с теледоступом; 

–   соотношению скоростей поступления задач в вычислительные системы и их решения: работающие или не работающие в режиме реального времени;

–   назначению: универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные.

В зависимости  от класса ЭВМ и вида операционной системы вычислительные системы  могут работать в двух режимах: однопрограммном  или мультипрограммном.

Однопрограммный режим. В памяти ЭВМ находится и выполняется только одна программа. Данный режим обычно характерен для микро-ЭВМ и персональных ЭВМ, т. е. для ЭВМ индивидуального пользования.

Мультипрограммный режим (многопрограммный). В памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении в выполняемой задаче ситуаций, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация и т. д.

При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность  переключения задач и выбирать моменты  переключения, чтобы эффективность  использования машинного времени  и памяти была максимальной. Мультипрограммный  режим обеспечивается аппаратными  средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных  ЭВМ, где стоимость машинного  времени значительно выше, чем  у микро-ЭВМ. Разработаны также  мультипрограммные операционные системы, позволяющие одновременно следить  за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя. В зависимости от того, в каком  порядке при мультипрограммном  режиме выполняются программы пользователей, различают следующие режимы: