СПО (Корнилов) / Лекции / вар2 / Операционные системы (Корнилов)

Литература:

Г.Дейтел Введение в операционные системы (в 2х томах).-М., Мир, 1987 Д.Рихтер Windows для проффесионалов.-1997

Ал.Вильямс Системное программирование в Windows 2000 для профессионалов.- С-Пб, 2001.-624с. Р. Саймон Windows 2000 API. Энциклопедия программиста.- К.: «ДиаСофт», 2001.-1088с. Г.Н.Соловьев, В.Д.Никитин Операционные системы.-1989

www.cs.berkeley.edu(CS162)

Лекция 1: Введение

9Понятие об ОС.

9Принципы проектирования ОС

9Зачем изучать ОС.

9Обзор тем курса.

Что такое ОС?

Можно определить как программный комплекс, решающий задачи эффективного управления ресурсами ЭВМ и предоставляющий пользователю набор услуг для простого и надежного доступа к ресурсам ЭВМ.

Две основные функции ОС:

1.Эффективное управление ресурсами ЭВМ

2.Предоставление набора услуг, отвечающего требованиям пользователей

Ресурсы ОС:

•Процессор

•Память

•Внешние устройства

•Программы пользователей

Можно определить и так: ОС – это реализация виртуальной машины, которую (есть надежда) проще и надежнее программировать, чем «голое железо».

Прикладная программа

_____________________ Интерфейс виртуальной машины (API)

Операционная система

_____________________ Интерфейс с аппаратурой Аппаратура

Виртуальная машина - это программный эмулятор некоторой другой машины.

•Используется для выполнения программ, написанных для одной платформы, на другой платформе.

•Обеспечивает хорошую переносимость.

ДанныеОС

Куча и стек ОС

Принципы разработки ОС

Принцип простоты решений при проектировании сложных систем

С одной стороны знаем, что программы всегда содержат ошибки, с другой стороны все большее количество работ и решений принимается с использованием ЭВМ, следовательно, должны верить в достоверность получаемых данных.

Make it as simple as possible, but not simpler!

But not simpler

DO 10 I=1,10

. . .

10 CONTINUE

Если допустить такую ошибку: DO 10 I=1.10 , то получим синтаксически правильную, но неверно работающую программу. Причины: (а) объявление переменных по умолчанию, (б) уничтожение пробелов компилятором перед синтаксическим разбором.

Что дает простота решений?

•Надежность

•Простоту сопровождения и дальнейшего развития

•Скорость выполнения

•Снижение стоимости

•Расширение рынка сбыта (то, что сложно и непонятно труднее продать)

Что мешает нахождению простых решений?

•«Избыточный IQ», который выражается в решениях, которые мало кто может понять

•Стремление к постоянному улучшению решений. Если решение сложное, то это не всегда хорошо. Сложность решения должна быть адекватной решаемой задаче

•Самореклама: включение в систему функций, которых ни у кого нет. А нужны ли они?

Как добиться простоты?

•Взять за правило критически относиться к сложным решениям

•Задавать себе вопрос: «А можно ли упростить решение?»

•Задавать себе вопрос: «А если убрать эту функцию, то что мы потеряем?»

•Изучать известные решения, анализировать их и находить самые простые пути решения проблем

ОС, ставшие стандартами de facto:

•CP/M -> MS_DOS

•RT-11 -> RSX-11 -> VAX/VMS

•OS360 -> OS370 -> OS/VS

•UNIX

Зачем изучать ОС?

•Аккумулирует в себе основные достижения в области вычислительной техники и программирования и, следовательно, является ценным объектом изучения;

•Выступает в роли посредника между пользователями, запросы и цели которых часто противоречат друг другу;

•Играет роль виртуальной машины, которая скрывает от пользователя сложности управления аппаратурой и предоставляет набор услуг существенно упрощающих общение с ЭВМ;

•Обеспечивает защиту пользователей друг от друга, себя от пользователей и пользователя от самого себя;

•Знание принципов организации ОС полезно пользователям непрофессионалам и необходимо разработчикам сложных программных комплексов.

Обзор тем курса

•Параллельные последовательные процессы. Планирование, синхронизация процессов.

•Управление памятью

•Организация ввода-вывода и файловые системы

•Распределенные ОС. Проблемы и перспективы.

Этап 2: Дешевая аппаратура, дорогой труд персонала (1970-1985):

•Аппаратура дешевеет. Цель: создание условий для более эффективной и комфортной работы пользователей. Назначение ОС: эффективное управление ресурсами и предоставление сервиса.

•Расширение сфер применение ЭВМ.

•Системы с разделением времени. Диалоговое взаимодействие пользователя с ЭВМ и с программой во время выполнения. Проблема: деградация производительности системы при увеличении числа пользователей.

•Совершенствование мультипрограммной обработки

•Сокращение времени реакции системы

•Системы реального времени

Этап 3: Очень дешевая аппаратура, очень дорогой труд персонала (1981-):

•Стоимость компьютера $1000, стоимость труда программиста - $100000.

•Ключевое изменение: компьютеры и ПО развиваются для повышения эффективности труда пользователя.

•Персональные ЭВМ. Пройден путь от простых ОС (MS-DOS) к полномасштабным ОС (NT, OS/2).

•Дружественный интерфейс

•Пересмотр основ, суперкомпьютеры, нетрадиционная архитектура, новые языки.

•Сети ЭВМ. Интеграция сетевой поддержки в ОС.

Этап 4: Распределенные системы (1981-):

Отличие от сетевых ОС состоит в средствах распределения ресурсов на сетевом уровне. Ресурсы распределяются таким образом, что пользователь не знает ничего о том на какой машине ему выделен требуемый ресурс.

Резюме

•Развитие технологии => Расширение сфер применения => Изменение ОС вслед за технологическими изменениями.

•Современные ОС – исключительно сложная система. Например, NT разрабатывается с конца 80-х и до сих пор далека от идеала. Важно понять как упростить и повысить надежность создаваемых сложных систем.

Структура ОС

Можно по-разному препарировать ОС, что приводит к различным представлениям об ОС.

Системные компоненты(из чего состоит ОС)

•Управление процессами

•Управление памятью

•Подсистема ввода-вывода

•Файловая система

•Поддержка сети

•Пользовательский интерфейс

Можно считать такое деление взглядом снизу. Любая ОС содержит такие структурные компоненты и их рассмотрение позволяет рассмотреть ОС изнутри.

Системные сервисы (что делает ОС)

Ряд сервисов напрямую отображаются на системные компоненты

•Выполнение программ

•Средства ввода-вывода

•Доступ к файлам

•Средства коммуникации

Другие сервисы реализуются всеми или части компонентов ОС

•Обнаружение ошибок и восстановление работоспособности

•Распределение ресурсов

•Учет пользователей и их возможностей

•Защита программ и данных

Это взгляд сверху необходимый любому пользователю. При этом не существенно как соотносятся сервисы и компоненты ОС.

Системные вызовы (что представляет собой API)

Примеры: MS-DOS (int 21), Windows 95/NT (Win32), POSIX.

Такой взгляд необходим программисту, но не дает полной картины того, как работает ОС.

Структура ОС (как связаны компоненты)

•Простая структура (монитор).

Примеры: MS-DOS (вообще нет структуры), ранний UNIX (режим пользователя и режим ядра). Все собрано в один монолитный модуль.

•Иерархическая структура.

Впервые предложен Дейкстрой в ОС THE. Использован в MULTICS Основные принципы:

1.Каждый уровень контролирует ряд структур данных и предоставляет функции доступа к ним

2.Каждый уровень ничего не знает о структуре нижележащих уровней. Доступ к сервисам нижележащих уровней осуществляется через определенный ими интерфейс

3.Каждый уровень ничего не знает о существовании вышележащих уровней.

Преимущества:

•Модульность, простота отладки и поддержки

•Возможность замены или модификации слоя. Важным следствие является переносимость за счет выделения машинно-зависимого слоя. (HAL в Windows NT).

•Микроядро и сервисные процессы

Ядро обычно реализует переключение контекста, средства синхронизации и взаимодействия между сервисными процессами работающими на пользовательском уровне.

Преимущества:

•Очень высокий уровень модульности

•Возможность динамической реконфигурации

Лекция 3: Управление процессами (I)

9Последовательный процесс, нить, адресное пространство

9Состояние нити

9Переключение контекста (диспетчеризация)

9Создание процесса и нити.

Понятие о последовательном процессе.

Однопрограммный режим: поведение вычислительной системы однозначно определяется загруженной программой. Простая ОС (MS-DOS). Работа с устройствами производится последовательно, характерны задержки в ожидании завершения ввода-вывода с медленными устройствами.

Мультипрограммный режим: – несколько пользователей, несколько программ, разделяющих процессор и другие устройства.

Существенно, что разделение устройств обеспечивается операционной системой. Например, Windows 3.1 нельзя считать мультипрограммной ОС, так переключение между программами инициируется самими программами в цикле диспетчеризации оконных сообщений. Правильно считать Windows 3.1 операционной оболочкой, кроме того Windows 3.1 не может быть установлена на пустую машину (нужна DOS).

Преимущества мультипрограммного режима:

•увеличение пропускной способности за счет лучшей загрузки устройств.

•возможность совмещать длительные операции (печать) с другой полезной работой.

•новые средства декомпозиции при разработке сложных систем, обрабатывающих различные асинхронные события.

Проблемы мультипрограммного режима:

Резко увеличивает сложность ОС, которая должна решать много новых проблем (разделение ресурсов между программами, защита себя, программ и данных пользователей и т.п.), при этом отдельный пользователь не должен видеть этих проблем (для него должна создаваться иллюзия монопольного владения ресурсами машины)

Как увязать множество событий происходящих в системе? Ответ: Разбираться с каждым событием в отдельности.

Каким способом описать поведение управляющей программы ОС?

Ответ: Необходимы новые абстракции, поэтому и введено понятие «последовательный процесс», которое является центральным в ОС.

Определение: Процесс есть абстрактное понятие ОС используемое для обозначения всего того, что необходимо для выполнения программы (UNIX)

Компоненты процесса:

•Последовательно исполняемое множество инструкций (программа). Другое название – поток или нить управления.

•Адресное пространство - данные, характеризующие состояние процесса (значения регистров процессора, содержимое стека, сегменты данных, дескрипторы файлов и т.п.)

Другие определения последовательного процесса:

•Процессом является то, что в IBM называется «задачей», а в Univac – действием.

•Процессом называется асинхронная работа.

•Процесс – это «живая» душа процедуры.

•Процесс – это «концентрация средств управления» для выполнения процедуры.

•Процесс – это объект, которому выделяются процессоры.

•Согласно ГОСТ 19781-83 процесс – это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования.

•Программа в стадии выполнения. (может содержать несколько процессов!)

Программа ?= Процесс

1.Процесс > программа: программа – это лишь часть процесса. Запуск редактора с разными файлами – это разные процессы, а программа одна. Дейкстра: «Программа – это правила поведения»

2.Процесс < программа: одна программа способна в ходе решения задачи породить несколько параллельно выполняемых процессов.

Легкие процессы (threads - нити)

В современных ОС традиционное понятие процесса расширено абстракцией «нить».

Нить (легкий процесс) – это последовательное выполнение потока команд процесса на одном процессоре. Процессорное время делится между нитями!