Классификация ОС. Обзор операционных систем. История развития ОС

Лекция ОС 22.01_Классификация ОС

Классификация ОС. Обзор операционных систем. История развития ОС.

Вычислительную технику  традиционно или исторически  разделяли на так называемые поколения. Поколение – это группа компьютеров, которые объединены по совпадению определенного  набора признаков. Обычно это архитектура, элементная база, области применения и т.д. 
^ Первое поколение компьютеров появилось в связи с массовым вычислением задач связанных с обороной (ядерное оружие и т.п.). Для ввода/вывода и в качестве запоминающего устройства использовались перфоленты. Строки вручную вводились в оперативную память и затем выполнялись.  
Проблемы В случае возникновения ситуаций типа деления на нуль компьютер останавливался. Изменять программу также было очень тяжело, так как машинные коды завязаны на адресацию, следовательно, для того, чтобы редактировать, приходилось сдвигать всю программу. Чтобы не сдвигать, делали безусловный переход на конец программы, затем возвращались обратно. 
Что появилось: 
• однопользовательский, персональный режим 
• зарождение класса сервисных, управляющих программ 
• зарождение языков программирования 
Появились такие упрощения жизни программистов как язык Assembler (появились мнемонические обозначения), программный транслятор из Assembler в машинные коды, появилась возможность вносить комментарии. Благодаря появлению мнемонических обозначений, корректировать программу стало проще. 
Если компьютеры 1-го поколения были связаны восновном с вооружением, войной, то компьютеры 2-го поколения уже стали более распространенными и начали применяться в более привычных для нас сферах работы: управление предприятиями, сбор информации и т.д. Строились они на новой элементной базе на полупроводниковых приборах – это диоды и транзисторы. Конец 50-х 2-я половина 60-х годов.. Размер компьютеров второго поколения на порядки уменьшился по сравнением с компьютерами первого поколения, уменьшилась энергопотребление, уменьшились габариты, увеличилась скорость.  
Стало возможно создавать более сложные по архитектуре системы. Уменьшились размеры, следовательно, проводники стали короче, следовательно, время работы уменьшилось и тепла стало выделяться меньше. 
^ Пакетная обработка заданий Для работы компьютера формировался пакет программ, уход от персонального компьютера. 
Проблема: Внешнее устройство было медленное, поэтому самая дорогая часть компьютера – центральный процессор(ЦП)- основное время простаивал. (пока ленту на нужное место промотаешь…) На ранних этапах рядом с компьютером сидела девушка и на кнопку нажимала, чтобы компьютер запустить… 
Мультипрограммирование В памяти находились несколько программ пользователя(ей).Если одна программа не может выполняться(например, в связи с работой с внешним устройством), то можно запускать другую. Хорошо бы запускать компьютер только тогда, когда все готово, чтобы от девушки не зависеть… 
^ Языки управления заданиями Нужен был язык, который позволял бы до начала работы программы сформировать требования, которые необходимы для ее выполнения.  
^ Чтобы предотвратить зацикливание нужно знать:  
1)Максимальное время счета программы 
2) Объем оперативной памяти, которая будет использована максимально 
3) Сколько памяти на магнитной ленте потребуется 
4) Стоит ли магнитная лента … 
Проблема: Работа с внешними устройствами упростилась, то есть появились стандартные управляющие программы, но у каждого внешнего устройства своя управляющая программа. 
файловые системы Появились файловые системы. Пользователю представилась возможность именовать данные и сохранять их. Можно не знать, где конкретно они лежат. 
виртуальные устройства Проблема: Развивались внешние устройства. У каждого свои особенности управления, а их очень много, поэтому неудобно. Появились виртуальные устройства – обобщение над всеми маленькими. 
Их появление вызвало массовое внедрение вычислительной техники в повседневную жизнь. Массовое появление фирм, каждая из которых производила свою модель компьютеров.  
Проблема: В результате идентичные устройства от разных производителей не взаимозаменялись. 
Решение: 
1)У третьего поколения все устройства стали унифицироваться. 
2) Устройства стали использовать идентичные расходные материалы. Все стало унифицированное (машинная лента, катушка) 
Все стало стыковаться за счет унификации аппаратных интерфейсов  
создание семейств компьютеров Раньше программное обеспечение жило столько, сколько компьютер. Программы погибали вместе с компьютерами. Появились задачи, требующие компьютер с вполне определенной архитектурой. Например, для управления больницей – компьютер с большой внешней памятью. Компьютеры стали программно-приемственными снизу вверх. Семейства различались по цене и возможностям. Стала возможной модернизация компьютеров.  
Большее развитие получили операционные системы. Появились первые сильно развитые операционные системы, у которых архитектура и основные компоненты были унифицированы. Одной из первых операционных систем значимых, этапных для всего развития мирового программного обеспечения - было появление операционной системы UNIX. В операционных системах появились простые средства разработки драйверов, появились стандартные интерфейсы организации драйверов. 
Основной аппаратной характеристикой компьютеров 4-го поколения является использование интегральных схем большой и сверхбольшой интеграции. Т.е. элементная база используют устройства в корпусе которого может быть реализован целый функциональный узел процессор и т.д. Появились абсолютно новые сферы применения и компьютер все более и более стал терять свойства устройства для выполнения программ и для работы с программистом. Развитие элементной базы оно определило с одной стороны потенциальную возможность сфер применения компьютерной техники, с другой стороны потребность создания максимально дружественных интерфейсов между пользователем и вычислительной системой (очень значимо). Появление дружественных интерфейсов позволило возродить понятие персональный компьютер. Были созданы все условия, как аппаратные так и программные, для того, чтобы компьютер стал персональным устройством. Т.е. компьютеры 4-го и далее поколений – это персональные компьютеры, которые могут применяться везде и всюду, отсюда – массовое распространение компьютеров. Миниатюризации вычислительной техники позволила совершить существенное развитие применения компьютеров, как встраиваемых устройств, используемых для управления теми или иными технологическими и производственными процессами. Развитие компьютеров 4-го поколения и далее обусловила толчок к развитию сетевых технологий. Развитию сетевых технологий прошло по пути развитию компьютеров. Изначально создавались корпоративные компьютерные сети. Развитие вычислительной техники, появление больших объемов информации потребовало создание средств, которые бы унифицировали с одной стороны, с другой стороны максимально упростили создание компьютерных сетей. Здесь можно говорить о первом решении, которое было формально предложано международным институтом стандартизации (ISO) – это модель открытой системы ISO OSI. Модель ISO OSI немного обобщала уже опыт развития семейства протоколов, которые были сформированы в результате разработки проекта AADR, которое получило название TCP IP. Сетевые технологии – это разработка обще принятых программных и аппаратных интерфейсов, которые позволяют подключать компьютер через разные интерфейсы к тем или иным сетям. Одной из проблем связанным с компьютерами 4-го поколения и последующих является проблема, связанная с обеспечением безопасности хранения и передачи данных. Информация стала товаром и предметом собственности. Следовательно, возникает проблема, связанная с обеспечением безопасности в части минимизации возможности несанкционированного доступа к этой информации. На сегодняшний день существует целая отрасль, занимающаяся этими проблемами.

Классификация операционных систем

Развитие компьютеров привело  к появлению большого количества различных операционных систем. Единой классификации операционных систем нет, но в зависимости от разных факторов-критериев  все операционные системы можно  разделить на классы.

1. Классификация операционных систем по мощности аппаратных средств.

1.1. Операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров, которые еще используются в центрах данных корпораций. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по возможностям ввода-вывода. Часто встречаются мэйнфреймы с большим количеством дисков и терабайтами данных. Мэйнфреймы возвращаются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных электронно-коммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе. Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они предлагают три вида обслуживания:

–   пакетную обработку, которая представляет собой систему, выполняющую стандартные задания без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме, например, обработку исков в страховых компаниях, составление отчетов о продажах для цепи магазинов;

–   системы обработки транзакций – системы, которые управляют очень большим количеством маленьких запросов, например, контролируют процесс работы в банке или бронирование авиабилетов, каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни или тысячи запросов в секунду;

–   системы, работающие в режиме разделения времени, – системы, которые позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине, например, работа с большой базой данных.

Указанные функции тесно связаны  между собой, и зачастую операционная система мэйнфрейма выполняет их все, например, операционная система OS/390, произошедшая от OS/360.

1.2. Серверные операционные системы – системы, которые работают на серверах и представляют собой очень большие персональные компьютеры, рабочие станции или мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и дают возможность им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. Интернет-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. Типичными серверными операционными системами являются  UNIX и Windows 2000, теперь в этих целях стала использоваться и операционная система Linux.

1.3. Операционные системы для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются для работы с текстом, электронными таблицами и для доступа к Интернету. Например: Windows 98, Windows 2000, ОС компьютера Macintosh и Linux. В настоящее время распространены следующие семейства операционных систем: DOS (первый представитель этого семейства – система MS-DOS, Microsoft Disk Operating System – дисковая операционная система фирмы Microsoft была выпушена в 1981 г. в связи с появлением IBM PC); OS/2; UNIX; Windows; операционные системы реального времени.

1.4. Встроенные операционные системы – простые операционные системы, устанавливаемые в принтерах, кассовых аппаратах и других внешних устройствах. Состоят из микроядра и функциональных блоков, обеспечивающих подключение в сеть внешнего устройства. Такие системы, управляющие действиями устройств, работают на машинах, обычно не считающихся компьютерами, например, в телевизорах, микроволновых печах, мобильных телефонах и карманных компьютерах. Карманный компьютер (PDA, Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник) – это маленький компьютер, помещающийся в кармане брюк, выполняющий небольшой набор функций (телефонной записной книжки и блокнота). Данный класс систем часто обладает такими же характеристиками, что и системы реального времени, но при этом имеют особый размер, память и ограничение мощности, что выделяет их в обособленный класс. Например, операционные системы: Palm OS, Windows CE (Consumer Electronics – бытовая техника).

1.5. Операционные системы для смарт-карт – самые маленькие операционные системы, которые работают на смарт-картах. Смарт-карты представляют собой устройства размером с кредитную карту, содержащие центральный процессор. На операционные системы накладываются крайне жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, другие выполняют более сложные функции. Часто они являются патентованными системами. Некоторые смарт-карты являются Java-ориентированными. Это означает, что ПЗУ (постоянная память, ROM, Read Only Memory – память только для чтения) смарт-карт содержит интерпретатор виртуальной машины Java (JVM, Java Virtual Machine). Апплеты Java (маленькие программы) загружаются на карту и выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из таких карт могут одновременно управлять несколькими апплетами Java, что приводит к многозадачности и необходимости планирования. Из-за одновременной работы двух и более программ возникает необходимость в управлении ресурсами и защитой. Все эти задачи выполняет операционная система, находящаяся на смарт-карте.

2. Классификация операционных систем для компьютеров по выполняемым функциям.

2.1. Дисковые операционные системы (ДОС) – системы, берущие на себя выполнение только простых функций. Как правило, они представляют собой некий резидентный набор подпрограмм. ДОС загружает пользовательскую программу в память и передает ей управление, по завершении работы программа передает управление ДОС. Например, различные загрузочные мониторы для машин класса Spectrum. Как правило, такие системы работают одновременно только с одной программой. Прямым наследником одного из таких резидентных мониторов является дисковая операционная система MS-DOS для IBM PC-совместимых ПК. Существование систем этого класса обусловлено их простотой и тем, что они потребляют мало ресурсов.

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;