Понятие и основные виды операционных систем

Другие требования предъявляются к ОС кластеров. Кластер — слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работаю­щих совместно для выполнения общих приложений и представляющих­ся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны ОС, которая сводится в основном к синхрониза­ции доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамиче­ской реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX.

Особенности областей использования

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

      системы пакетной обработки (например, ОС ЕС);

      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 из которых содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного вы­полнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требова­ния к ресурсам, 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 — 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 после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Системы разделения времени призваны исправить основной недоста­ток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения вре­мени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Поскольку 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 сравнительно небольшим, то у всех пользовате­лей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывает­ся впечатление, что каждый из них единолично использует ЭВМ. 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, и, кроме того, имеют место накладные расходы вы­числительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффек­тивность работы пользователя.

Особенности методов построения ОС

При описании ОС часто указываются особенности ее структурной организации и концепции, положенные в ее основу.

К ним относятся:

• способы построения ядра системы - монолитное ядро или микро­ядерный подход. Большинство ОС использует монолитное, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой выступает построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня не­сут на себе специализированные компоненты ОС-серверы, работаю­щие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, поскольку часто выполняются переходы между при­вилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой — ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользова­тельского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены один от другого, как и любые пользовательские процессы;

•     построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендо­вавшие себя на уровне приложений, внутри ОС: аккумуляцию удач­ных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследо­вания, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутрен­ние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанк­ционированного использования извне, структуризованность систе­мы, состоящей из набора хорошо определенных объектов;

•     наличие нескольких прикладных сред позволяет в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для несколь­ких ОС. Многие современные ОС поддерживают одновременно при­кладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы. Часть этих серверов реализует прикладную среду той или иной ОС. Распре­деленная организация ОС позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализова­ны механизмы, которые дают возможность пользователю представ­лять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организа­ции ОС являются наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов и единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, поз­воляющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.[7]

1.2. Требования к операционной системе

Операционная система создает среду для выполнения приложений и во многом определяет, какими полезными для пользователя свойствами эти приложения будут обладать, является сердцевиной сетевого программного обеспечения, выполняет множество других функций. В связи с этим рассмотрим требования, которым должна удовлетворять современная ОС.

Очевидно, что главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна реализовывать мультипрограммную обработку, виртуальную память, поддерживать многооконный интерфейс, а также выполнять многие другие, совершенно необходимые функции. Кроме этих функциональных требований к операционным системам предъявляются не менее важные рыночные требования. К этим требованиям относятся:

                    Расширяемость. Программный код операционной системы должен быть написан таким образом, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить целостность системы.

                    Переносимость. Код должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа.

                    Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны быть в состоянии наносить вред ОС.

                    Совместимость. ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем. Кроме того, пользовательский интерфейс должен быть совместим с существующими системами и стандартами.

                    Безопасность. ОС должна обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других.

                    Производительность. Система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.

Рассмотрим более подробно некоторые из этих требований.

Расширяемость

В то время, как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Примером может служить ОС UNIX. Поэтому операционные системы всегда эволюционно изменяются со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно представляют собой приобретение ею новых свойств. Например, поддержка новых устройств, таких как CD-ROM, возможность связи с сетями нового типа, поддержка многообещающих технологий, таких как графический интерфейс пользователя или объектно-ориентированное программное окружение, использование более чем одного процессора. Сохранение целостности кода, какие бы изменения не вносились в операционную систему, является главной целью разработки.

Расширяемость может достигаться за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Новые компоненты могут быть добавлены в операционную систему модульным путем, они выполняют свою работу, используя интерфейсы, поддерживаемые существующими компонентами.

Использование объектов для представления системных ресурсов также улучшает расширяемость системы. Объекты - это абстрактные типы данных, над которыми можно производить только те действия, которые предусмотрены специальным набором объектных функций. Объекты позволяют единообразно управлять системными ресурсами. Добавление новых объектов не разрушает существующие объекты и не требует изменений существующего кода.

Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг-серверов. Основная часть ОС может оставаться неизменной в то время, как могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые.

Средства вызова удаленных процедур (RPC) также дают возможность расширить функциональные возможности ОС. Новые программные процедуры могут быть добавлены в любую машину сети и немедленно поступить в распоряжение прикладных программ на других машинах сети.

Некоторые ОС для улучшения расширяемости поддерживают загружаемые драйверы, которые могут быть добавлены в систему во время ее работы. Новые файловые системы, устройства и сети могут поддерживаться путем написания драйвера устройства, драйвера файловой системы или транспортного драйвера и загрузки его в систему.

Переносимость

Требование переносимости кода тесно связано с расширяемостью. Расширяемость позволяет улучшать операционную систему, в то время как переносимость дает возможность перемещать всю систему на машину, базирующуюся на другом процессоре или аппаратной платформе, делая при этом по возможности небольшие изменения в коде. Хотя ОС часто описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, переносимость - это не бинарное состояние. Вопрос не в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода - нужно следовать некоторым правилам.

Во-первых, большая часть кода должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах, куда вы хотите переносить систему. Обычно это означает, что код должен быть написан на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например, на языке С.

Во-вторых, следует учесть, в какое физическое окружение программа должна быть перенесена. Различная аппаратура требует различных решений при создании ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, не может быть перенесена на машину с 16-битовыми адресами (разве что с огромными трудностями).

В-третьих, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами.

В-четвертых, если аппаратно зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют.

Для легкого переноса ОС при ее разработке должны быть соблюдены следующие требования:

                    Переносимый язык высокого уровня. Большинство переносимых ОС написано на языке С. Разработчики выбирают С потому, что он стандартизован, и потому, что С-компиляторы широко доступны. Ассемблер используется только для тех частей системы, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, обработчик прерываний) или для частей, которые требуют максимальной скорости (например, целочисленная арифметика повышенной точности). Однако непереносимый код должен быть тщательно изолирован внутри тех компонентов, где он используется.