1321

локальных и глобальных сетей. Особое внимание в течении всего последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым ОС. Их дальнейшее развитие представляет одну из наиболее важных задач и в обозримом будущем. Для таких сетей важно наличие средств централизованного администрирования и управления. Для них так же важно в силу их гетерогенности наличие и следование множеству стандартов.

Так же на современном этапе развития ОС на первый план вышли средства обеспечения безопасности. Огромное значение имеет многоплатформенность (переносимость). Повышается удобство работы человека с компьютером.

Продолжая структуризацию, можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами в 1968 г.

Раздел 2 Архитектурные особенности ОС. Классификация ОС 2.1. Архитектурные особенности ОС

Вопросы для рассмотрения: Понятие ядра ОС. Монолитное ядро. Микроядерная архитектура. Многоуровневые системы. Виртуальные машины. Смешанные системы.

Рекомендуемая литература: 5, 6. Перечень дополнительных ресурсов: 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной программы. Такая структура операционной системы называется монолитным ядром (monolithic kernel). Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитное ядро – это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для

монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой. Монолитное ядро — классическая и, на сегодняшний день,

наиболее распространённая архитектура ядер операционных систем. Монолитные ядра предоставляют набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Основное достоинство микроядерной архитектуры – высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостаток — плата за принудительное «переключение» процессов в ядре (переключение контекста); этот факт собственно и объясняет трудности в проектировании и написании ядер подобной конструкции. Эти недостатки способны обойти ОС, использующие архитектуру экзоядра, являющуюся дальнейшим развитием микроядерной архитектуры.

2.2. Классификация ОС

Вопросы для рассмотрения: Режимы работы операционных систем. Однозадачный режим (однозадачные однопользовательские операционные системы. MS-DOS 6. Функциональные возможности.

Модули ОС и размещение их в памяти и на дисках. Загрузка ОС и организация выполнения команд. BIOS, основные функции. Модуль расширения BIOS, основные функции. Файл CONFIG.SYS. Модуль обработки прерываний, назначение. Прерывания верхнего уровня DOS. Вызовы функций DOS через механизм прерываний. Виды обращений к DOS. Файловая система. Файлы и каталоги. Основные команды для выполнения операций над файлами и каталогами. Командные файлы. Файл AUTOEXEC.BAT). Многозадачный режим (многозадачные многопользовательские операционные системы. Основные функции многозадачных многопользовательских операционных систем. Операционные системы семейства Win32. Аппаратные требования. Архитектура. Состав. Реализация многозадачности. Виртуальные машины среды Windows.). Режим разделения времени. Сетевой режим. Режим распределенной обработки. Режим реального времени. Универсальные ОС. ОС специального назначения. Пользовательский интерфейс операционных систем. Командный интерфейс. Оконный интерфейс (WIMP-интерфейс). Речевой интерфейс (SILK-интерфейс). Назначение и функции операционных оболочек. Far Manejer, Norton Commander. Возможности Far Manejer (Norton Commander 5.0). Windows Commander. Возможности Windows Commander 4. Пакет сервисных программ Norton Utilities: назначение, основные возможности. Тенденции развития операционных систем.

Рекомендуемая литература: 5, 6. Перечень дополнительных ресурсов: 3, 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Операционные системы (ОС) классифицируют:

по особенностям алгоритмов управления ресурсами – локальные и сетевые ОС. Локальные ОС управляют ресурсами отдельного компьютера. Сетевые ОС участвуют в управлении ресурсами сети;

по числу одновременно выполняемых задач - однозадачные и многозадачные. Однозадачные ОС выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной вычислительной машины, обеспечивая его простым и удобным интерфейсом взаимодействия с компьютером, средствами управления периферийными устройствами и файлами. Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства;

по числу одновременно работающих пользователей - однопользовательские и многопользовательские. Основным отличием

многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей;

по возможности распараллеливания вычислений в рамках одной задачи - поддержка многонитевости. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями – нитями;

по способу распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами или нитями - невытесняющая многозадачность и вытесняющая многозадачность. В невытесняющей многозадачности механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а в вытесняющей распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности

активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам по собственной инициативе не передаст управление операционной системе для выбора из очереди другого готового к выполнению процесса. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом;

по отсутствию или наличию в ней средств поддержки многопроцессорной обработки. Многопроцессорные ОС, в свою очередь, могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь набор процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами;

по ориентации на аппаратные средства - операционные системы персональных компьютеров, серверов, мейнфреймов, кластеров;

по зависимости от аппаратных платформ – зависимые и мобильные. В мобильных ОС аппаратно зависимые места локализованы так, что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающим перенос ОС на другой тип компьютера является написание ее на машиннонезависимом языке, например, на С;

по особенностям областей использования – ОС пакетной обработки, разделения времени, реального времени. Системы пакетной

обработки предназначены для решения задач 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. В системах с разделением времени каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Каждой задаче выделяется некоторый квант процессорного времени, так что ни одна задача не занимает процессор надолго. Если квант времени выбран небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одном компьютере, создается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, когда существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. Невыполнение программы в срок может привести к аварийной ситуации. Таким образом, критерием эффективности систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата - управляющего воздействия;

по структурной организации и концепциям, положенным в

основу:

по способу построения ядра системы - монолитное ядро или

микроядерный подход. ОС использующие монолитное ядро, компонуются 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. При построении ОС на базе микроядра, работающего в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, функции более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС – программные серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, но система получается более гибкой и ее функции можно модифицировать, добавляя или исключая серверы пользовательского режима;

по построению на базе объектно-ориентированного подхода;

по наличию нескольких прикладных сред в рамках одной ОС, позволяющих выполнять приложения, разработанные для нескольких операционных систем. Концепция множественных прикладных сред

наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы;

по распределению функций операционной системы среди компьютеров сети. В распределенной ОС реализованы механизмы, обеспечивающие пользователя возможностью представлять и воспринимать сеть в виде однопроцессорного компьютера. Признаками распределенной ОС является наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов и службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур для распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу одновременно на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС) - управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию поразному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

В общем случае операционная система выполняет следующие функции:

предоставляет другим программам определенный вид обслуживания (посредством программ-утилит), например выделение и назначение памяти, синхронизацию процесса вычислений и организацию взаимосвязи между различными процессами в вычислительной системе;

обеспечивает защиту (в определенной мере) других программ от последствий различных особых ситуаций, возникающих при машинной реализации данной программы, таких, как прерывания и машинные сбои;

реализует с той или иной степенью сложности принцип “виртуальной машины”, что позволяет группе программ использовать общие вычислительные ресурсы, например процессор (процессоры) и

основную память;

организует и следит за выполнением принципов управления при решении таких задач, как обеспечение защиты данных от несанкционированного доступа и реализация системы приоритетов доступа программ к вычислительным ресурсам.

Обеспечивает работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски и т.д

Предоставляет стандартный доступ к различным устройствам ввода/вывода, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства.

Предоставляет некоторый пользовательский интерфейс. Часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из средств интерфейса пользователя.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

Параллельное (точнее, псевдопараллельное, если машина имеет только 1 процессор) исполнение нескольких задач.

Распределение ресурсов компьютера между задачами.

Организация взаимодействия задач друг с другом.

Взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами.

Организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.

Защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ.

Раздел 3 Управление процессами 3.1. Мультипрограммирование

Вопросы для рассмотрения: Мультипрограммирование в системах пакетной обработки. Мультипрограммирование в системах разделения времени. Мультипрограммирование в системах реального времени. Мультипрограммирование при мультипроцессорной обработке. Роль прерываний при мультипрограммировании. Концепция прерывания. Основные виды прерываний. Обработка прерываний. Векторы прерываний. Управление программами. Планирование приоритетов. Интерфейс программирования прикладных программ Win32. Основные особенности и характеристики ОС семейства Linux.

Рекомендуемая литература: 5, 6. Перечень дополнительных ресурсов: 2, 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Мультипрограммирование – это режим обработки данных, при котором ресурсы вычислительной системы предоставляются каждому процессу из группы процессов обработки данных, находящихся в вычислительной системе, на интервалы времени, длительность и очередность предоставления которых определяется управляющей программой этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном режиме.

Суть мультипрограммного режима работы ОС заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс) ожидает завершения очередной операции ввода-вывода (подпись «Вв» на оси ординат), другая программа (процесс) может быть поставлена на решение. Это позволяет более полно использовать имеющиеся ресурсы (например, как видно из рисунка, центральный процессор начинает меньше простаивать) и уменьшить общее (суммарное) время, необходимое для решения некоторого множества задач.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса). При мультипрограммировании программы совместно используют не только процессор, но и другие ресурсы компьютера (оперативную и внешнюю память, устройства вводавывода, данные).

Для повышения пропускной способности компьютера стремятся к обеспечению минимизации простоев (например, из-за отсутствия соответствующих данных) всех его устройств, и прежде всего центрального процессора. Естественным решением, ведущим к повышению эффективности использования процессора, является переключение процессора на выполнение другой задачи, у которой есть данные для обработки. Такой подход к реализации мультипрограммирования положен в основу пакетных систем.

Основное предназначение систем пакетной обработки – решать задачи вычислительного характера, не требующие быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является пропускная способность, то есть решение числа задач в единицу времени.

Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования. В начале работы

формируется пакет заданий, каждое из которых содержит требование к системным ресурсам. Из пакета заданий формируется мультипрограммная «смесь», то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие разные требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач

синтенсивным вводом-выводом.

Сцелью повышения удобства и эффективности работы пользователя применяют другой способ мультипрограммирования – разделения времени. В системах разделения времени пользователю (пользователям) предоставляется возможность интерактивной работы с несколькими приложениями одновременно. В системах разделения времени эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, поэтому пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователяпрограммиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю в этом случае предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. В связи с тем, что 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 небольшой, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них использует ее единолично.

Еще одна разновидность мультипрограммирования используется ОСРВ, предназначенных, как отмечено выше в п. 2.2, для управления с помощью компьютера различными техническими объектами или технологическими процессами. Критерием эффективности этих систем является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы – реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого процесса.

В ОСРВ «мультипрограммная смесь» представляет собой

фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.

Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.

В мультипроцессорных системах несколько задач могут реально выполняться одновременно, так как имеется несколько обрабатывающих устройств – процессоров. Очевидно, что мультипроцессирование не исключает мультипрограммирования – на каждом из процессоров может попеременно выполняться некоторый закрепленный за данным процессором набор задач.

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора, то есть прерывание – это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами вычислительной системы. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность – прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

3.2. Планирование процессов и потоков

Вопросы для рассмотрения: Разновидности задач: процессы и потоки (нити). Основные свойства задач: приоритет, контекст, статус, реентерабильность. Дескриптор задачи. Многозадачность. Понятие событийного вида обработки. Обработчики событий. Кооперативная (невытесняющая) и вытесняющая многозадачность. Создание процессов и потоков. Управляющие структуры процессов и потоков. Состояния процесса. Критерии планирования. Цели и свойства алгоритмов планирования. Виды планирования. Алгоритмы планирования. Ресурс. Классификация ресурсов. Дисциплины распределения ресурсов: одноочередные (FIFO, LIFO, RR) и многоочередные (бесприоритетные и приоритетные). Концепция