Операционные системы

Операционные  системы

Содержание

1. Введение;
2. Классификация ОС по области использования:

1. Системы пакетной обработки;
2. Системы разделения времени;
3. Системы реального времени;

3. Функциональные компоненты ОС:

1. Ядро и вспомогательные модули ОС:

1. Модули ядра;
2. Вспомогательные модули;

2. Управление процессами;
3. Управление памятью и внешними устройствами;
4. Защита данных и администрирование;

4. Интерфейс прикладного программирования;

5. Возможности ОС:

1. Характеристика и оценка возможностей ОС Microsoft Windows:

1. Семейство Windows 9x;
2. Семейство Windows NT;

2. Характеристика и оценка возможностей ОС Linux;

6. Современные требования к ОС:

1. Расширяемость;
2. Переносимость;
3. Совместимость;
4. Надежность и отказоустойчивость;
5. Безопасность;
6. Производительность;

7. Список источников информации:

1. Основная литература;
2. Дополнительная литература.

Введение

Операционная система, ОС (англ. operating system) — начальный (базовый) комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем  служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций  ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п.

С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами являются ОС семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux).

Классификация ОС по области использования

ОС делятся на три типа вместе с использованными при их разработке критериями эффективности:

• системы пакетной обработки (например, OC EC),
• системы разделения времени (UNIX, VMS),
• системы реального времени (QNX, RT/11).

• 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, то есть решение максимального числа  задач в единицу времени. Для  достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая  схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий (каждое задание содержит требование к системным ресурсам), из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь (множество одновременно выполняемых задач).

Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы  обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может  надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных  задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система  пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его  диспетчеру-оператору, а в конце  дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает  эффективность работы пользователя.

• Системы разделения времени 

Эти системы призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изолировать пользователя-программиста от процесса выполнения его задач.

Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в  системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного  времени, ни одна задача не занимает процессор  надолго, и время ответа оказывается  приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе.

Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность  работы пользователя.

• Системы реального времени 

Применяются для управления различными техническими объектами (станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами - гальваническая линия, доменный процесс и т.п.)

Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение  которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая  объектом, в противном случае может  произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные  данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического  покрытия не будет соответствовать  норме.

Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата. Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

 

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.

Функциональные  компоненты ОС

• Ядро и вспомогательные модули ОС

Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение всех ее модулей на две группы:

• модули (модули ядра), выполняющие основные функции ОС;
• модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

1. Модули ядра;

Модули ядра выполняют такие  базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью  неработоспособной и не сможет выполнить  ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса:

• переключение контекстов,
• загрузка/выгрузка станиц,
• обработка прерываний.

Эти функции недоступны для приложений.

Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут  обращаться к ядру с запросами - системными вызовами - для выполнения тех или  иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми  функциями операционной системы, поэтому  скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения  высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно  находятся в оперативной памяти.

2. Вспомогательные модули.

Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур и делятся на следующие группы:

• утилиты - программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (программы сжатия дисков, архивирования данных)
• системные обрабатывающие программы (текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики)
• программы предоставления пользователю дополнительных услуг (специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры)
• библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т. д.)

Как и обычные приложения, для  выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством  системных вызовов.

 

 

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются  в оперативную память только на время выполнения своих функций. Постоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

• Управление процессами

Функции ОС автономного компьютера (подсистемы) группируются:

• в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС,
• либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам.

Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами  и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

Важнейшей частью ОС является подсистема управления процессами, влияющими на функционирование вычислительной машины. Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах.

В мультипрограммной ОС одновременно может существовать несколько процессов.

• пользовательские (по инициативе пользователя)
• системные (создаются самой ОС для выполнения своих функций)

. Важной задачей ОС является защита ресурсов. Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса.

Адресное пространство – это совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных ОС процессу. Каждый процесс работает в своем адресном пространстве, имея в виду защиту адресных пространств, осуществляемую ОС. Защищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д.

Операционная система может  не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование (разрешать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам). На протяжении периода существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. При смене процесса происходит переключение контекстов (состояние регистров, режим работы процессора, указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода-вывода и т. д.).