5

СПО Лекция 2 [15.07.19]

Лекция 2: История развития. Структура ОС.

• История развития ОС

• Структура ОС

История развития ОС

Взгляд на произошедшие изменения (1). На примере типичного для университетов США компьютера.

	1981	1999	Коэффициент
Процессор (MHz) цикл/команда	10 3-4	600 0.5 - 1	60 3-8
ОЗУ	128KB	256MB	2000
Диск	10MB	27GB	2700
Сеть	9600b/s	155Mb/s	15000
Разрядность	16	64	4
Пользователь/компьютер	10	<=1	10
Цена	$25000	$2000	12

Взгляд на произошедшие изменения (2). Изменение методов работы.

Развитие аппаратуры => Новые возможности => Изменение режимов работы, поддерживаемых ОС

Этап 1: Дорогая аппаратура, дешевый труд персонала (1948-1970)

• Компьютеры исключительно дорогие. Цель: загрузить работой.

• Типичный режим работы на первых компьютерах – один пользователь работает за пультом ЭВМ. Отсутствует взаимодействие пользователя с программой в процессе ее выполнения. Программирование в кодах, нет языков программирования. ОС представлена в виде библиотеки стандартных подпрограмм (ввод-вывод, математика). Задачи преимущественно вычислительного характера. Низкая надежность аппаратуры.

• Пакетная обработка заданий (загрузить, выполнить, напечатать результат). Пока человек думает за пультом, машина простаивает. Чтобы лучше использовать оборудование необходимо отдалить пользователя от машины и загружать пакет готовых заданий.

• Ввод с перфокарт

• FORTRAN

• Первые системы пакетной обработки: FMS (Fortran Monitor System) и IBSYS. Формирование пакета на МЛ с помощью вспомогательной ЭВМ. Перенос ленты на мощную ЭВМ для расчета в пакетном режиме. Распечатка результатов с МЛ на вспомогательной ЭВМ.

• Простой язык управления заданиями $JOB <шифр> $FORTRAN [колода ПК] $LOAD $RUN [Данные] $END

• Связи пользователя с программой во время выполнения нет

• Время реакции системы велико (часы)

• Новые задачи. Применение ЭВМ в экономической сфере. Задачи символьной обработки.

• Проект IBM создания универсальной серии машин (IBM 360), совместимых снизу вверх. Совместимость должна распространяться и на ОС и на языки (PL/I).

• Совмещение операций ввода-вывода с вычислениями. Спулинг (SPOOL – Simultaneous Peripheral Operation On Line)

• Мультипрограммный режим работы

• Развитый сложный язык управления заданиями

• Преимущества: хорошая загрузка системы, справедливое обслуживание для коротких и длинных задач, совмещение операций ввода-вывода с вычислениями

• Новые проблемы: защита программ друг от друга, совместное использование общих ресурсов.

• Сложность ОС резко возросла: Multics вместо 1963 реализован в 1969 После выпуска OS360 зафиксировано более 1000 ошибок. Проектирование ОС стало наукой (не только в области программирования, но и в организации работы больших коллективов разработчиков) Парадокс? На фоне гигантского проекта OS360 создается UNIX (маленький и работающий!)

Bell Laboratories + General Electric + M.I.T => MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service). Кен Томпсон – UNICS (UNiplexed Information and Computing Service) + Ритчи + Керниган => C & UNIX

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