Введение в операционные системы.

Современное  программное обеспечение  (ПО) традиционно разделяется на  системное  (служащее для разработки и выполнения программ и для предоставления пользователю ЭВМ определенных услуг) и  прикладное  ПО, предназначенное для решения определенной целевой задачи( производства вычислений по заданному алгоритму, подготовке документов и т.д. )

 Операционная система  (ОС) является обязательной составляющей вычислительных систем, организуя выполнение программ и взаимодействие пользователя с компьютером. Другие компоненты системного программного обеспечения (СПО) не являются всегда обязательными. Их состав определяется потребностями и желаниями пользователя.

 Сервисные системы  расширяют возможности ОС, предоставляя пользователю набор дополнительных услуг. Некоторые сервисные системы изменяют облик ОС до неузнаваемости, и поэтому иногда называются операционными системами. Это, в особенности, относится к интерфейсным системам.

 Инструментальные системы  предназначены, в основном, для разработки ПО. Часть средств инструментальных систем может применяться для решения прикладных задач. Использование большинства инструментальных систем связано с составлением программ, поэтому они могут считаться  системами программирования . Однако традиционно к системам программирования принято относить такие системы, с помощью которых можно запрограммировать и решить любую задачу, допускающую алгоритмическое решение. Системы программирования являются универсальными системами. Другие типы инструментальных систем являются специализированными и служат для создания ПО определенного функционального назначения. Применение таких средств позволяет повысить эффективность разработки ПО.

Системы  технического обслуживания  предназначены для облегчения тестирования оборудования и поиска неисправностей и здесь не рассматриваются.

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ .

 Операционной системой  (ОС) называют комплекс программ, обеспечивающих управление ресурсами ЭВМ (вычислительной системы) и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.

Под  ресурсами  понимают любой логический или физический компонент ЭВМ и их возможности. Основными ресурсами являются процессор (процессорное время),оперативная память (ОП) и периферийное устройство (ПУ).

 Управление ресурсами  сводится к выполнению следующих функций:

1) упрощению доступа к ресурсам;

2) распределению ресурсов между конкурирующими процессами.

ОС поддерживают два  интерфейса  (средства), которые позволяют игнорировать аппаратные различия ЭВМ:

1)  пользовательский интерфейс  (командный язык для управления функционированием компьютера и набор сервисных услуг, освобождающих пользователя от выполнения рутинных операций);

2)  программный интерфейс  ( набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций ).

Уровень программного интерфейса может быть дополнительно повышен путем использования систем программирования для языков высокого уровня. Пользовательский интерфейс может быть  символьным  (текстовым) или  графическим . Программный интерфейс может быть дополнен системами программирования. Функция распределения ресурсов необходима для ОС, которые обеспечивают одновременное выполнение (или по крайней мере одновременное хранение в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ))нескольких программ. Если ПЭВМ имеет один процессор, то одновременное выполнение нескольких программ сводится к поочередной реализации их фрагментов. В результате совмещения во времени нескольких операций при этом может повышаться производительность ПЭВМ.

ОС классифицируются по следующим признакам:

1) по количеству пользователей, одновременно обслуживаемых системой;

2) по числу процессов, которые могут одновременно выполняться под управлением ОС;

3) по типу доступа пользователя к ЭВМ;

4) по типу средств вычислительной техники (СВТ), для управления ресурсами которых система предназначена.

В соответствии с первым признаком различают  однопользовательские  и  многопользовательские  ОС.

Второй признак делит ОС на  однозадачные и многозадачные .  Процессом  (задачей) называется последовательность действий, предписанных программой или ее логически законченной частью, а также данные, используемые для вычислений.

В соответствии с третьим признаком ОС делятся на:

- системы с пакетной обработкой , когда из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет, который предъявляется ЭВМ;

- системы разделения времени , обеспечивающие одновременный диалоговый (интерактивный) доступ к ЭВМ нескольких пользователей через терминалы.

- системы реального времени , которые должны обеспечивать гарантированное время ответа на внешние события.

По четвертому признаку ОС делятся на  однопроцессорные,  многопроцессорные,  сетевые  и  распределенные.

ОС не могут, как правило, предоставить пользователям возможности, которыми не обладают ЭВМ. Они в состоянии только эффективно использовать аппаратные средства компьютеров. Поэтому вначале перечислим возможные режимы работы ПЭВМ, чтобы можно было понять, какими типами ОС они могут комплектоваться.

В настоящее время ПЭВМ поддерживают широкий спектр режимов работы, среди которых:

1)  однопрограммный  режим;

2)  однопользовательский   многопрограммный  режим;

3)  многопользовательский многопрограммный  или просто многопрограммный режим;

4)  системы виртуальных машин  ( возможность одновременной работы нескольких ОС )

Для поддержки перечисленных режимов работы ПЭВМ существуют следующие типы ОС:

1)  однопользовательские однозадачные  или просто однозадачные;

2)  однопользовательские многозадачные, или просто многозадачные;

3)  многопользовательские многозадачные, или просто  многопользовательские.

Для обеспечения работы ПЭВМ в режиме системы виртуальных машин необходим монитор виртуальных машин.

Для многопользовательских и многозадачных ОС важным показателем является дисциплина обслуживания. Различают  вытесняющий  и  согласующий  режимы многозадачной работы.

При вытесняющей организации выделением задачам процессорного времени занимается исключительно ОС. Примерами такого режима является квантование, когда каждой задаче процессор выделяется по очереди, причем на фиксированный промежуток времени, при приоритетном обслуживании. Вытеснение поддерживают ОС OS/2 и UNIX, а также интерфейсная система DESQ view и WINDOWS-95.

В случае согласующей организации каждая задача, получившая управление, сама определяет, когда ей отдать процессор другой задаче. Согласование применяется в сетевой ОС фирмы Novell, а также в интерфейсной системе MS WINDOWS 3.11.

Для IBM совместимых ПЭВМ разработаны и используются следующие классы ОС

1) ОС семейства СР/М;

2) OC семейства DOS;

3) ОС семейства OS/2;

4) ОС семейства UNIX;

5) различные ОС и управляющие программы, предназначенные для ПЭВМ на базе микропроцессора МП 80386, 80486,PENTIUM.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют представители семейства DOS, за ними - UNIX, и в меньшей степени - OS/2.

1.1. Ос семейства dos

Системы данного семейства в настоящее время являются наиболее популярными ОС для ПЭВМ. Первый представитель этого семейства -система MS-DOS (Microsoft Disk Operating System - дисковая операционная система фирмы Microsoft) была выпущена в 1981 г. в связи с появлением ПЭВМ IBM PC.

ОС семейства DOS являются однозадачными, но имеют и некоторые элементы многозадачности. В частности, можно организовать фоновую печать на принтере, а также разместить в ОЗУ несколько резидентных программ и активизировать их при необходимости.

ОС семейства DOS обладают нижеприведенными чертами и достоинствами:

1. возможностью задания в качестве имен файлов образцов, что позволяет специфицировать при выполнении тех или иных действий множества файлов вместо одного;

2) удобным и простым пользовательским интерфейсом, а также поддержкой командных файлов, что обеспечивает возможность создания пользовательских макрокоманд;

3) поддержкой иерархической (древовидной) файловой структуры;

4) возможностью не только последовательного, но и прямого доступа к содержимому файлов;

5. трактовкой на логическом уровне устройств ввода-вывода как файлов, что унифицирует средства обмена информацией с любыми ПУ и файлами;

6) наличием  конвейеров  (средств передачи вывода одной программы или команды на вход другой) и возможностью перенаправления ввода-вывода на уровне командного языка;

7) некоторыми средствами поддержки сетей ЭВМ;

8) модульностью структуры, упрощающей перенос системы на другие типы ПЭВМ;

9) небольшим потребным объемом оперативной памяти для работы(около 60 Кбайт) и внешней памяти   для хранения системных файлов;

10) возможностью создания в памяти виртуальных дисков, что ускоряет обмен информацией;

11) возможностью запуска фоновых задач;

12) поддержкой ряда национальных алфавитов и соглашений.

Недостатки ОС семейства DOS:

полное отсутствие средств защиты от несанкционированного доступа к ресурсам ПЭВМ и к самой ОС, а также жесткое ограничение на размер доступного для работы ОЗУ.

 1.2.  ОС   семейства  OS/2.

В связи с созданием в 1987 г. нового семейства ПЭВМ PS/2 фирмой IBM совместно с Microsoft была разработана многозадачная ОС второго поколения, названная OS/2 (Operating System/2 - операционная система/2). Она считается преемником DOS и имеет схожий с последней пользовательский интерфейс. Эта система позволяет программам использовать физическую память размером до 16 Мбайт и виртуальную - до 0.5 Гбайт на каждую задачу. С целью выполнения программ, разработанных для DOS, в рамках OS/2 может быть запущена эта ОС в качестве подзадачи. OS/2 обеспечивает одновременную работу до 12 программ, но только одну программу DOS. Имеются и средства поддержки локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Microsoft считает, что DOS плюс Windows - это многоцелевая система для широкого круга пользователей, в то время как OS/2 - ОС для высокопрофессионального применения.

 1.3.  ОС семейства   UNIX.

По мере увеличения доли мощных ПЭВМ растет и популярность ОС семейства UNIX. ОС UNIX уже завоевала лидирующее положение почти на всех классах ЭВМ, включая инженерные АРМ, мини суперЭВМ, параллельные процессоры и суперЭВМ. Можно ожидать, что такое положение сложится и в области ПЭВМ.

Большинство UNIX - подобных систем являются многопользовательскими и имеют:

- поддержку иерархической файловой структуры с монтируемыми дисковыми томами;

- конвейеры и средства перенаправления ввода-вывода;

-средства коммуникации в локальных и других вычислительных сетях;

- поддержку широкого разнообразия периферийных устройств (ПУ);

- множество полезных стандартных и дополнительных утилит;

- встроенные инструментальные системы;

- средства парольной защиты;

- высокую мобильность вследствие модульности ОС и использования для ее разработки языка программирования С;

- открытость для модификаций и расширений;

- эффективные средства электронной почты и передачи данных;

- поддержку виртуальной памяти со страничным запросом.

Для машин фирмы Apple разработаны и используются системы Apple DOS, Macintosh OS и UNIX - подобная ОС A/UX, а также System 7.0, реализующая многие возможности OS/2.

 2. Сервисные системы.

 Сервисными  будем называть системы, дополняющие и расширяющие пользовательский, а, возможно, и программный интерфейсы ОС.

По функциональному назначению сервисные системы делят на:

1)  интерфейсные  системы (interface),в основном, графического типа, модифицирующие как пользовательский, так и программный интерфейс ОС, а также иногда реализующие и дополнительные возможности по распределению ресурсов ЭВМ; вследствие этого они считаются естественным "продолжением" ОС;

2)  оболочки  (shell) ОС, модифицирующие только пользовательский интерфейс, повышая его уровень (главным образом за счет "меню" и использования функциональных клавиш), а также предоставляя дополнительные возможности;

3)  утилиты  (utility) - обслуживающие программы, которые предоставляют пользователю сервисные услуги, т.е. обогащают пользовательский интерфейс ОС.