Вопросы к экзамену по курсу «Операционные системы и среды» 2013

Раздел 1. Основы теории операционных систем

Операционные системы (ОС) предоставляют набор функциональности, необходимой для работы большинства приложений на компьютере, а также связывающиеся механизмы для контроля и синхронизации. На первых компьютерах не было операционных систем, поэтому каждая исполняемая программа должна была знать полную аппаратную спецификацию машины и выполнять стандартные задачи, а также иметь собственные драйверы для периферийных устройств, таких как принтеры и кардридеры. Возрастающая сложность оборудования и пользовательских программ привела к появлению операционных систем

1. История возникновения ОС. Этапы развития ОС Ссылка

Первые ЭВМ были построены и нашли практическое применение в 40-е годы XX века. Первоначально они использовались для решения единственной частной задачи – расчет траектории артиллерийских снарядов в системах ПВО. В силу специфики применения (решение единственной задачи), первые ЭВМ не использовали ни какой операционной системы. В тот период времени, решением задач на ЭВМ занимались в основном сами же разработчики ЭВМ, а процесс использования ЭВМ представлял собой не столько решение прикладной задачи, сколько исследовательскую работу в области вычислительной техники.

ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ

40-е годы. Первые цифровые вычислительные машины без ОС. Организация вычислительного процесса решается программистом с пульта управления.

Второе поколение

50-е годы. Появление прообраза ОС - мониторные системы, реализующие систему пакетной обработки заданий.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Третье поколение

1965-1980 г.г Переход к интегральным схемам, (IBM/360) Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера: привилегированный и пользовательский режимы, средства защиты областей памяти, развитой системы прерываний.

ЧЕТВЕРТОЕ ПОКОЛЕНИЕ

Конец 70-х. Создан рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. В 1983 году он был стандартизирован. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой Интернет, сделала этот стек протоколов основным стеком для большинства ОС.

Начало 80-х. Появление персональных компьютеров. Бурный рост локальных сетей. Поддержка сетевых функций стала необходимым условием. 80-е годы. Приняты основные стандарты на коммуникационные технологии локальных сетей: Ethernet, Token Ring, FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях.

Начало 90-х. Практически все ОС стали сетевыми. Появились специализированные сетевые ОС (например IOS, работающая в маршрутизаторах)

Последнее десятилетие. Особое внимание корпоративным сетевым ОС, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования.

2. Классификация и свойства ОС

Операционные системы классифицируются по:

• количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;

• числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы;

• количеству решаемых задач: однозадачные, многозадачные;

• количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные;

• разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;

• типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);

• типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени;

• типу использования ресурсов: сетевые, локальные.

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

• однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

• многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

• многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

• невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

• вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

многопроцессорная обработка

использование пары или большего количества физических процессоров в одной компьютерной системе

3. Назначение ОС: ОС как виртуальная машина и как средство управления ресурсами ПК

Современный пользователь, для того чтобы решать задачи может обойтись без досконального значения аппаратуры ПК. Ему не обязательно быть в курсе того, как работают отдельные электронные блоки. Пользователь привык иметь дело с полученными высокоуровневыми функциями. которые предоставляет ему Ос Именно она отрывает от него большую часть собственной аппратуры. В результате машина способная выполнять небольшой набор элементарных действий ограниченных системных, команд процессора превращается в виртуальную машину выполняющую широкий набор действий.

ОС так же является механизмом распределяющие ресурсы ПК. К ислу основных ресурсов относят процессор. Оперативная память ,диски и т.д ОС ификтивно распределяет ресурсы между выполняемыми задачами.

4. Архитектура ОС: модуль ядра и вспомогательные модули. Многослойная структура ядра

Модули ядра ОС выполняют следующие базовые функции ОС:

1. управление процессами

2. управление памятью

3. управление устройствами ввода-вывода

- Ядро обеспечивает решение задачи организации вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний и т.п.

- Другая задача – поддержка приложений, создание для них прикладной программной среды. Приложения обращаются к ядру с запросами (системными вызовами) для выполнения базовых операций (открытие и чтение файла, вывод информации на дисплей и т.п.)

- Функции выполняемые ядром ОС требуют высокой скорости выполнения и для этого размещаются постоянно в оперативной памяти (резидентные модули).