Классификация операционных систем

Операционные системы различаются

ü особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами),

ü особенностями использованных методов проектирования,

ü типами аппаратных платформ,

ü критериями эффективности,

ü особенностями реализации сетевых решений

ü и многими другими свойствами.

Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами

По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный или мультипрограммный режим работы.

Однопрограммные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером.

Они включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

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

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.

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).

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.

Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи.

ОС подразделяются на поддерживающие и неподдерживающие многонитевость.

Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Еще одним важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование.

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.

Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В современных ОС введены функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС 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 все процессоры, разделяя их между системными и прикладными задачами.

ОС управляет всеми устройствами компьютерной системы (процессорами, оперативной памятью, дисками, клавиатурой, монитором, принтерами, сетевыми устройствами и др.) и обеспечивает пользователя удобным интерфейсом для работы с аппаратурой.

Обычно ОС определяется через ее функции -

под ОС понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой - предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Другими словами, две основные функции (назначение) ОС:

1) предоставлять пользователю некую расширенную виртуальную машину, с которой легче работать (легче программировать), чем непосредственно с аппаратурой реального компьютера или реальной сети;

Для пользователя (приложения) работа с различными ресурсами (процессор, память, диски, периферийные устройства) выглядит так, как будто эти ресурсы находятся в его полном распоряжениии, при этом в одной системе может выполняться одновременно несколько приложений, каждое со своим собственным набором ресурсов. В этом смысле говорят, что ОС реализует виртуальную машину, предоставляя приложениям средства многозадачности.

2) управлять ресурсами вычислительной системы.

Поэтому в специальной литературе ОС представляется всегда двояко:

как расширенная виртуальная машина и

как система управления ресурсами.

Функции ОС

· прием от пользователя (оператора) заданий или команд, сформулированных на соответствующих языках, и их обработка;

· загрузка в ОП программ и их исполнение;

· инициация программы (передача ей управления);

· прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ; организация взаимодействия между задачами;

· идентификация всех программ и данных;

· обеспечение работы системы управления файлами и/или систем управления БД;

· обеспечение режима мультипрограммирования (многозадачности);

· планирование и диспетчеризация задач;

· обеспечение функций по организации и управлению операциями ввода/вывода;

· удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (для соответствующих ОС);

· управление памятью, организация виртуальной памяти;

· организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

· защита одной программы от влияния другой; обеспечение сохранности данных;

· аутентификация, авторизация и другие средства обеспечения безопасности;

· предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

· обеспечение работы систем программирования;

· параллельное исполнение нескольких задач.

Функции ОС автономного компьютера обычно группируются в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС. Такие группы называют подсистемами.

Наиболее важные из них

ü подсистема управления процессами,

ü подсистема управления памятью,

ü подсистема управления файлами,

ü подсистема управления внешними устройствами,

ü подсистема пользовательского интерфейса,

ü подсистема защиты данных и администрирования.

Замечание. Часто под ОС понимается то ПО, которое запускается в режиме ядра (привилегированном режиме, режиме супервизора).

Общие сведение о наиболее распространенных ОС

Windows – это операционные системы защищенного режима (32-битные и 64-битные версии). Система безопасности этих операционных систем построена на разделении кода пользователя и системного кода. Код пользователя работает в режиме «user mode» и на него наложено множество ограничений. Системный код работает в режиме «kernel mode» и почти ничем не ограничен.

Основанная единица выполнения в Windows – это поток (по терминологии защищенного режима – задача). Потоки объединяются в процессы. В общем случае одна программа – это один процесс. В процессе может быть сколько угодно потоков. Каждый процесс обособлен от всех остальных. Это достигается за счет того, что у каждого процесса своя собственная виртуальная память. Тем не менее, если программе надо получить доступ в памяти других процессов, она может осуществить это через специальные системные сервисы.

Диспетчеризация потоков осуществляется на основе приоритетов. Приоритеты у потоков являются динамическими, т. е. могут меняться в зависимости от того, что делает поток. В некоторый момент времени процессором всегда выполняется поток с наибольшим приоритетом.

Память в Windows

Каждый процесс имеет свое собственное виртуальное адресное пространство. Адресное пространство любого процесса разбито на две равные части: память процесса и память системы. Младшие 2 Гбайт памяти являются памятью процесса, старшие 2 Гбайт – памятью системы. Память системы одна для всех процессов, она недоступна из режима пользователя «user mode» даже для чтения. Любое обращение к ней приводит к ошибке доступа и завершению приложения.

В некоторых случаях под память процесса выделяется 3 Гбайт памяти, а под память системы – 1 Гбайт. Так делается тогда, когда используются приложения, требовательные к памяти, которым 2 Гбайт памяти недостаточно. Для 64-битных систем этот метод потерял актуальность.

Адреса в диапазоне 0h – FFFFh никому не доступны. Эта память нужна для выявления нулевых указателей. Любой указатель, значение которого меньше 100000h, считается нулевым. Таким образом, каждому процессу в Win32 в общем случае доступно 2 Гбайт (за вычетом 64 Кбайт) виртуальной памяти.

Исполняемые компоненты Windows

В операционных системах (ОС) Windows имеется несколько типов исполняемых файлов. Все они имеют формат РЕ (Portable Executable). Наиболее часто используемые исполняемые компоненты в Windows: EXE (приложение), DLL (динамическая библиотека), SYS (драйвер).

EXE-файлы – это самый распространенный тип исполняемых файлов в Windows. В них находятся программы.

DLL-файлы – это динамически загружаемые библиотеки. В них хранятся функции и процедуры, которые могут использовать другие исполняемые компоненты.

SYS-файлы – это файлы драйверов режима ядра. В них находится код нулевого кольца операционной системы.

Файлы формата РЕ состоят из заголовка и секций. Секция в РЕ-файле – это его основная составляющая единица. В заголовке содержатся основные характеристики файла и таблица секций.

Рассмотрим базовые характеристики исполняемых файлов. Самые главные характеристики файла – точка входа и база образа, т. е. указание, по какому адресу должен быть загружен данный модуль.

При создании исполняемого файла компоновщик должен вставить в код программы вместо меток конкретные адреса и подразумевает, что этот код будет загружен по некоторому базовому адресу. Загрузчик Windows должен знать, по какому адресу надо загрузить данный исполняемый файл, и именно для этого используется поле базы образа в заголовке исполняемого файла. Очень часто при загрузке файлов DLL и SYS адрес, указанный в поле базы образа, является уже занятым или просто недоступным. Если при загрузке исполняемого файла адрес, указанный в поле базы образа, уже занят, то он грузит файл по другому адресу и при этом загрузчику надо подправить в коде программы все обращения к данным. Для этого загрузчику будут нужны релокейшены. Релокейшены содержат информацию о командах, в которых есть обращения к памяти для поправки адресов. Точкой входа содержит адрес, с которого начнется выполнение исполняемого файла.

Каждый файл может иметь таблицу импорта и экспорта. С помощью таблицы импорта исполняемый файл может импортировать функции, которые находятся в других модулях, загруженных в текущее адресное пространство, и использовать эти функции как свои. Для того чтобы другие модули могли использовать функции из данного модуля, адреса этих функций должны быть прописаны в таблице экспорта.

Как было сказано выше, в заголовке PE-файла содержится таблица секций, она описывает каждую секцию в РЕ-файле: начало данных в секции, размер данных, адрес, куда должна быть спроецирована данная секция и ее характеристики. Наиболее часто в секциях находятся данные, код, импорты, экспорты и релокейшены.

Итак, файлы с расширением .EXE являются обычными программами. В 99,99 % случаев ЕХЕ-файл представляет процесс, в память которого он загружен. Файлы с расширением .DLL являются библиотеками, где содержатся функции, которые могут использовать другие программы или другие DLL. Файлы с расширением .SYS являются драйверами режима ядра. Код, содержащийся в них, выполняется на нулевом уровне привилегий, в режиме ядра. В файлах DLL и SYS точка входа указывает на инициализирующую функцию.

Системные библиотеки и подсистемы

В коде Win32, выполняемом в режиме пользователя, запрещены любые прямые обращения к устройствам и портам ввода-вывода. Это значит, что любые обращения к портам ввода-вывода, вызов прерываний и выполнение привилегированных инструкций приведут к ошибке и завершению программы. Обращение к памяти, на которую спроецированы регистры устройств, обращение к другим важным областям памяти (например, 0B8000h) ничего не даст. Без обращения к внешним устройствам и портам ввода-вывода польза от программ, работающих в третьем кольце, нулевая. Для того чтобы они могли обратиться к внешним устройствам и наладить взаимодействие с «окружающим миром», операционная система предоставляет программам API-функции (Application Program Interface).

Программирование в Windows основывается на использовании интерфейса прикладного программирования API. Он предоставляет программисту набор готовых классов, функций, структур и констант. Их количество составляет около двух тысяч. API-функции обеспечивают взаимодействие приложения с внешними устройствами и ресурсами операционной системы.

Все API-функции содержатся в системных DLL-библиотеках. Самые главные из DLL-библиотек:

1) kernel32.dll – взаимодействие с системой;

2) user32.dll – пользовательский интерфейс;

3) gdi32.dll – графика.

Библиотека kernel32.lib предназначена для работы с объектами ядра операционной системы, ее функции позволяют управлять памятью и другими системными ресурсами. Библиотека user32.lib отвечает за окна и интерфейс пользователя, в ней сосредоточены функции для управления окнами, обработки сообщений, работы с меню, таймерами и т.п. Библиотека gdi32.dll обеспечивает графический интерфейс операционной системы. В состав библиотеки входят функции управления выводом на экран монитора, управления выводом принтера, функции для работы со шрифтами и т. п.

Функции библиотеки kernel32.dll в основном являются оболочками вокруг функций из ntdll.dll.

Функции из библиотеки ntdll.dll являются переходниками к функциям ядра Windows. Эти функции принимают параметры, подготавливают их к вызову команды «sysenter». Библиотека ntdll.dll – важнейший компонент пользовательской подсистемы Windows и является основополагающей для всех подсистем, так как именно через нее пользовательский код может взаимодействовать с кодом ядра. Эта библиотека загружается в память любого процесса одной из первых и всегда по одному и тоже адресу. Библиотека kernel32.dll является основополагающей для подсистемы Win32. Она загружается во все процессы Win32 одной из первых (после ntdll) и всегда по одному и тому же адресу.

Модель вызова функций в Win32

В системах Win32 при вызове всех системных функций используется модель вызова stdcall.

Согласно этой модели параметры функций передаются через стек в обратном порядке. При этом за очистку стека от параметров ответственна вызываемая функция. Например, если у функции есть три параметра, то вызов по соглашению stdcall будет выглядеть так:

Push param3

Push param2

Push param1

Call FunctionAddr

Результат выполнения функции будет содержаться в регистре ЕАХ.

При использовании API-функций следует помнить, что они сохраняют значение не всех регистров общего назначения. Соглашение stdcall предусматривает сохранение содержимое регистров ЕВХ, ESI, EDI и ЕВР. При написании функций обратного вызова также надо обязательно сохранять содержимое этих регистров, поскольку код системных функций не ожидает их изменения.

Выполнение программ в Win32

При загрузке исполняемого файла загрузчик Windows выполняет такие действия:

1) создает для файла виртуальное адресное пространство размером 4 Гбайт, причём нижние 2 Гбайт из них доступны приложению;

2) загружает системные библиотеки ntdll.dll, kernel32.dll и библиотеки, указанные в таблице импорта файла;

3) создает первичный поток процесса, который начинает свое выполнение с точки входа программы.

Во время выполнения процесса, вернее, его потоков, ему запрещены какие-либо обращения к портам ввода-вывода и вызов каких-либо прерываний, запрещена работа с привилегированными регистрами и выполнение привилегированных команд. Чтобы программы могли работать с внешними устройствами, Windows предоставляет им API-функции, позволяющие им работать с внешними устройствами, взаимодействовать с системой, а также друг с другом. API-функции находятся в системных библиотеках. Каждая функция, которая работает с ресурсом, охраняемым системой (файлы, процессы, устройства и т. д.), вызывает соответствующую функцию ядра системы.

Резюмируем все вышесказанное. Операционная система помещает программу в некоторое изолированное адресное пространство, разрешая ей взаимодействовать с «внешним миром» посредством функций (системных сервисов), которые сама же и предоставляет. Операционная система избавляет программиста, который пользуется ассемблером, от множества забот, которые вообще-то не должны его касаться. Например, от работы с системными регистрами и структурами, взаимодействия с внешними устройствами, реализации работы с файловой системой и т. д.

В связи с этим программирование на ассемблере под Win32 намного легче. Например, при работе с файлами программисту не нужно заботиться о том, какая же модель жесткого диска установлена на компьютере: достаточно просто вызывать функции, которые предоставляет операционная система, а она уже сама разберется со всеми проблемами.

Типы структур программ Windows

Возможны три типа структур программ для Windows:

1) диалоговая (основное окно – диалоговое);

2) консольная;

3) классическая (GUI, graphical user interface).

Диалоговые приложения для Windows имеют минимальный интерфейс связи с пользователем и передают информацию посредством диалоговых окон (например, окна сообщения MessageBox).

Консольные приложения представляет собой программу, работающую в текстовом режиме. Работа консольного приложения напоминает работу MS-DOS. Но это лишь внешнее впечатление. Консольное приложение обеспечивается специальными функциями Windows. Диалог с пользователем ведется посредством консоли. Примером консольного приложения является Far.

Оконные приложения строится на базе набора функций API, составляющих графический интерфейс пользователя GUI. Главным элементом такого приложения является окно. Окно может содержать элементы управления: кнопки, списки, окна редактирования и др. Эти элементы, по сути, также являются окнами, но обладающими особыми свойствами. События, происходящие с этими элементами (и самим окном), приводят к приходу сообщений в процедуру окна. Диалог с пользователем ведется посредством графического интерфейса.

Linux – таково общее название операционных систем (ОС) типа Unix, которые основаны на ядре Linux, создаваемом и распространяемом в соответствии с моделью разработки свободного и открытого программного обеспечения. Под общим названием не подразумевается единая комплектация Linux. Данная операционная система распространяется бесплатно в виде готовых дистрибутивов, обладающих своим набором прикладных программ, настроенных под конкретные запросы пользователей. ОС Linux проста в эксплуатации, даже начинающий пользователь сможет установить и настроить ее и начать работу с ее приложениями. Эта операционная система сегодня является единственной альтернативой Windows. История развития ОС Linux идет с 1991 года. Именно тогда молодой финский программист Линус Торвальдс разработал первую версию системы, которую затем назвали в честь него. С начала появления Linux сразу стала набирать популярность в связи с тем, что ее ядро, как и большинство программ, написанных под нее, имеют ряд очень важных качеств.

Особенности и достоинства ОС Linux К достоинствам ОС Linux можно отнести: Бесплатность. Все большее количество пользователей убеждаются, что пиратские копии Windows способны нанести вред. А платные лицензионные версии Windows достаточно дорого стоят так же как и программы, работающие под данной ОС. Устанавливая Linux, пользователь получает тысячи бесплатных программ. Правда, они и не совсем привычны как Windows-программы, но в тоже время абсолютно функциональны. Надежность. При качественной работе аппаратной части компьютера Linux способна работать без перезагрузки и зависаний годами. Безопасность. Linux практически не содержит вирусов, поскольку в отличие от Windows самим построением операционной системы исключается работа вредоносных программ. В результате можно обходиться без антивирусных программ, которые зачастую мешают работать, нет необходимости в постоянном обновлении антивирусных баз и выполнении проверки диска на вирусы, что приводит к потерям времени. Открытый исходный код. Доступные исходные тексты Linux дают возможность использования и модифицирования системы на свое усмотрение, исправления каких-нибудь ошибок или недочетов системы в любое время, а также расширения её функциональности за счет написания дополнений либо программ, которые будут работать под ее управлением.

Замечание 1 В настоящее время вокруг Linux сформировано огромное сообщество программистов, постоянно усовершенствующих систему. Ими разрабатываются новые версии и разновидности этой ОС, пишутся разнообразные программы под Linux. Сегодня система Linux лидирует на рынках интернет-серверов, смартфонов, мощных суперкомпьютеров, а также на рынке встраиваемых систем и рынке нетбуков. Linux используется в игровых приставках, телевизорах и роутерах. Операционная система на ядре продолжает быстро совершенствоваться и приобретает все большую популярность.

Модель Linux

Linux являются модульными Unix-подобными операционными системами. Дизайн Linux в основном базируется на принципах, которые были заложены в Unix в 1970-х и 1980-х годах. Такие системы используют монолитное ядро Linux, с помощью которого управляют процессами, периферией, сетевыми функциями и доступом к файловой системе. Драйверы устройств, в свою очередь, интегрированы в ядро или добавляются в виде модулей, загружаемых в процессе работы системы. При взаимодействии с ядром отдельные программы обеспечивают функции систем более высокого уровня. В большинстве систем Linux графический интерфейс пользователя строится на основе X Window System.

Пользовательский интерфейс Linux

В качестве интерфейса в Linux используются графический интерфейс (GUI), интерфейс командной строки (CLI), а во встраиваемых системах элементы управления соответствующих аппаратных средств. В настольных системах применяют графический пользовательский интерфейс, командная строка в нем доступна только в окне эмулятора терминала либо в отдельной виртуальной консоли. Большинством низкоуровневых компонентов Linux используется только командная строка, которая очень хорошо подходит при автоматизации отложенных или повторяющихся задач, а также является очень простым механизмом межпроцессного взаимодействия. Для доступа с рабочего стола к командной строке довольно часто используют программу графического эмулятора терминала. В Linux обычно реализуется интерфейс командной строки с помощью оболочки ОС, которая также представляет традиционный способ взаимодействия с системой Unix. Возможно использование командной строки как единственного интерфейса специально разработанными для серверов дистрибутивами. Наиболее популярные пользовательские интерфейсы построены на X Window System, которая предоставляет прозрачную сеть и позволяет графическим приложениям одного компьютера отображаться на другом компьютере. Другие графические интерфейсы могут быть классифицированы как простые менеджеры окон X Window System, предоставляющие окружение рабочего стола. Оконным менеджером предоставляются средства управления внешним видом отдельных окон приложений и их размещением, а также он взаимодействует с X Window System. Разработка Linux ОС Linux не имеет географического центра разработки. Также не существует организации, владеющей этой системой. Программы для Linux являются результатом работы нескольких тысяч проектов: некоторые из которых централизованы, а некоторые сосредоточены в фирмах. Многие проекты объединили хакеров со всего мира, которые, в свою очередь, знакомы лишь по переписке. Любой пользователь может либо создать свой проект, либо присоединиться к уже существующему, причем в случае успеха результаты работы будут известны миллионам пользователей. Пользователи могут принимать участие в тестировании свободных программ, общаться с разработчиками напрямую, что способствует быстрому нахождению и исправлению ошибок и реализации новых возможностей.

Применение Linux

Выделяют несколько основных областей применения Linux:

- серверы, требующие высокого аптайма; системы военного назначения — по соображениям безопасности;

- компьютеры нестандартной архитектуры (например, суперкомпьютеры) — из-за возможности быстрой адаптации ядра ОС и большого количества программного обеспечения под нестандартную архитектуру;

- встроенные в различные устройства компьютеры (терминалы оплаты, банкоматы, маршрутизаторы, мобильные телефоны, стиральные машины) — из-за широких возможностей конфигурации Linux под выполняемую устройством задачу, а также отсутствия оплаты каждого устройства;

- старые компьютеры, имеющие ограниченные ресурсы быстродействия и оперативной памяти, для них используют быстрые рабочие окружения или оконные менеджеры, которые не требовательны к ресурсам (например, Openbox, LXDE, Fluxbox, Xfce);

- массовые специализированные рабочие места — также из-за отсутствия оплаты каждого рабочего места и по причине их ограниченной вычислительной мощности.

Дистрибутивы Linux используют в качестве серверных операционных систем, они заняли значительную долю этого рынка. Так Linux стала ключевым компонентом комплекса серверного программного обеспечения LAMP (Linux, Apache, MariaDB/MySQL, Perl/PHP/Python), ставшего популярным среди разработчиков и являющимся одной из наиболее распространенных платформ хостингов веб-сайтов. Дистрибутивы Linux приобретают в последнее десятилетие все большую популярность на мейнфреймах, отчасти из-за цены и модели с открытым исходным кодом. Также дистрибутивы Linux широко используют в качестве операционных систем суперкомпьютеров.