инфопособие2011

Важная функция управления памятью – защита памяти. Нарушения защиты памяти связаны с обращениями процессов к участкам памяти, выделенной другим процессам прикладных программ или программ самой ОС. Средства защиты памяти должны пресекать такие попытки доступа путем аварийного завершения программы-нарушителя.

Функции управления файлами сосредоточены в файловой системе ОС. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла – простой неструктурированной последовательности байтов, имеющих символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы – каталоги более высокого уровня. Файловая система преобразует символьные имена файлов, с которыми работает пользователь или программист, в физические адреса данных на дисках, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

Файловая система– важнейшая часть операционной системы. Этим термином обозначаются два совершенно разных понятия:

файловой системой называют набор алгоритмов операционной системы для работы с файлами;

файловая система – это структура хранения файлов на запоминающих устройствах, например на дисках.

Атрибуты файлов, необходимые ОС для ведения файловой системы:

имя файла(в файловой системе UNIX это просто число); тип файла: обычный файл или каталог;

кто владелец файла и к какой группе пользователей он относится (два числа – идентификатор или номер владельца и идентификатор группы);

права доступа к файлу– чтение, запись, выполнение – для трѐх категорий пользователей: владельца файла, пользователя из той же группы, что и владелец, и остальных (9 бит: по 3 бита с информацией о защите для трѐх категорий пользователей);

информация о работе с файлом– время создания файла, его последнего изменения и время последнего доступа к нему;

число ссылок на файл(или количество символьных имѐн у файла);

номера блоков, в которых размешается файл, – список блоков файла;

размер файла в байтах, поскольку списка блоков недостаточно, то размер файла может быть не кратен блоку.

Операционные оболочки операционных систем, предоставляют пользователю широкие возможности работы с файловой системой и мы чаще всего ассоциируем размещение в памяти файлов в виде их графического представления, предоставляемого оболочками (рис. 12.1, 12.2)/

Функции управления внешними устройствами возлагаются на

подсистему управления внешними устройствами, называемую также

подсистемой ввода-вывода. Она является интерфейсом между ядром компьютера и всеми подключенными к нему устройствами. Спектр этих устройств очень обширен (принтеры, сканеры, мониторы, модемы, манипуляторы, сетевые адаптеры, АЦП разного рода и др.), сотни моделей этих устройств отличаются набором и последовательностью команд, используемых для обмена информацией с процессором и другими деталями.

Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, называется драйвером. Наличие большого количества подходящих драйверов во многом определяет успех ОС на рынке. Созданием драйверов занимаются как разработчики ОС, так и компании, выпускающие внешние устройства. ОС должна поддерживать четко определенный интерфейс между драйверами и остальными частями ОС. Тогда разработчики компаний-производителей устройств ввода-вывода могут поставлять вместе со своими устройствами драйверы для конкретной операционной системы.

Рисунок 12.1 Схема файловой системы Linux

Рисунок 12.2Схема файловой системы Windows

Подсистема защиты данных и администрирования. Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибокпрограммного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. Для каждого пользователя системы обязательна процедура логического входа, в процессе которой ОС убеждается, что в систему входит пользователь, разрешенный административной службой. Администратор вычислительной системы определяет и ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных действий, т.е. определяет их права по обращению и использованию ресурсов системы.

Важным средством защиты являются функции аудита ОС, заключающегося в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы. Поддержка отказоустойчивости вычислительной системы реализуется на основе резервирования (дисковые RAID-массивы, резервные принтеры и другие устройства, иногда резервирование центральных процессоров, в ранних

считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд.

В свою очередь пользовательский интерфейс может быть командным или объектно-ориентированным. Командный интерфейс предполагает ввод пользователем команд с клавиатуры при выполнении действий по управлению ресурсами компьютера.

Объектно-ориентированный интерфейс – это управление ресурсами вычислительной системы посредством осуществления операций над объектами, представляющими файлы, каталоги (папки), дисководы, программы, документы и др.

Операционные системы все время совершенствуются и модифицируются, поэтому в целях сохранения преемственности новая модификация ОС не переименовывается, а приобретает название версии. Версии ОС обозначаются, как правило, «десятичной дробью» вида 6.0, 2.1, 3.5. При этом увеличение цифры до точки отражает существенные изменения, вносимые в операционную систему, а увеличение цифр, стоящих после точки, – незначительные изменения.

12.4 Основные задачи, решаемые операционными системами

Назначение операционных систем можно разделить на четыре основные составляющие.

1. Организация (обеспечение) удобного интерфейса между приложениями и пользователями, с одной стороны, и аппаратурой компьютера – с другой. Вот список основных сервисов, предоставляемых типичными операционными системами:

Разработка программ: ОС представляет программисту разнообразные инструменты разработки приложений: редакторы, отладчики и т.п. Ему не обязательно знать, как функционируют различные электронные и электромеханические узлы и устройства компьютера. Часто пользователь не знает даже системы команд процессора, поскольку он может обойтись мощными высокоуровневыми функциями, которые представляет ОС.

Исполнение программ. Для запуска программы нужно выполнить ряд действий: загрузить в основную память программу и данные, инициализировать устройства ввода-вывода и файлы, подготовить другие ресурсы. ОС выполняет всю эту рутинную работу вместо пользователя.

Доступ к устройствам ввода-вывода. Для управления каждым устройством используется свой набор команд. ОС предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который скрывает все эти детали и обеспечивает

168 Глава 12. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

программисту доступ к устройствам ввода-вывода с помощью простых команд чтения и записи.

Контролируемый доступ к файлам.

Системный доступ. ОС управляет доступом к совместно используемой или общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она обеспечивает защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования и разрешает конфликтные ситуации.

Обнаружение ошибок и их обработка. При работе компьютерной системы могут происходить разнообразные сбои за счет внутренних и внешних ошибок в аппаратном обеспечении, различного рода программных ошибок (переполнение, попытка обращения к ячейке памяти, доступ к которой запрещен и др.). В каждом случае ОС выполняет действия, минимизирующие влияние ошибки на работу приложения (от простого сообщения об ошибке до аварийной остановки программы).

Учет использования ресурсов. Хорошая ОС имеет средства учета использования различных ресурсов и отображения параметров производительности вычислительной системы. Эта информация важна для настройки (оптимизации) вычислительной системы с целью повышения ее производительности.

2. Организация эффективного использования ресурсов компьютера. ОС не только представляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является своеобразным диспетчером ресурсов компьютера. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на МЛ, принтеры, сетевые устройства и др. Эти ресурсы распределяются операционной системой между выполняемыми программами. В отличие от программы, которая является статическим объектом, выполняемая программа – это динамический объект, он называется процессом и является базовым понятием современных ОС.

Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является вторым назначением операционной системы.

Управление ресурсами включает решение ряда общих, не зависящих от типа ресурса задач:

планирование ресурса – определение, какому процессу, когда и в каком качестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить

поддержание оперативной информации о занятости ресурса и распределенной его доли;

разрешение конфликтов между процессами, претендующими на один и тот же ресурс.

Схематично, взаимодействие ОС с программно-аппаратным обеспечением компьютера можно представить следующим образом (рис. 12.3):

Рисунок 12.3 Взаимодействие ОС с программным и аппаратным обеспечением

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Таким образом, управление ресурсами составляют важное назначение ОС. В отличие от функций расширенной виртуальной машины большинство функций управления ресурсами выполняются операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступны.

3. Облегчение процессов эксплуатации аппаратных и программных средств вычислительной системы. Ряд операционных систем имеет в своем составе наборы служебных программ, обеспечивающие резервное копирование, архивацию данных, проверку, очистку и дефрагментацию дисковых устройств и др.

Кроме того, современные ОС имеют достаточно большой набор средств и способов диагностики и восстановления работоспособности системы. Сюда относятся:

средства восстановления поврежденных и пропавших системных файлов и др.

4. Возможность развития. Современные ОС организуются таким образом, что допускают эффективную разработку, тестирование и внедрение новых системных функций, не прерывая процесса нормального функционирования вычислительной системы. Большинство операционных систем постоянно развиваются (нагляден пример Windows). Происходит это в силу следующих причин:

Обновление и возникновение новых видов аппаратного обеспечения. Например, ранние версии ОС UNIX и OS/2 не использовали механизмы страничной организации памяти (что это такое, мы рассмотрим позже), потому, что они работали на машинах, не обеспеченных соответствующими аппаратными средствами.

Новые сервисы. Для удовлетворения пользователей или нужд системных администраторов ОС должны постоянно предоставлять новые возможности. Например, может потребоваться добавить новые инструменты для контроля или оценки производительности, новые средства ввода-вывода данных (речевой ввод). Другой пример – поддержка новых приложений, использующих окна на экране дисплея.

Исправления. В каждой ОС есть ошибки. Время от времени они обнаруживаются и исправляются. Отсюда постоянные появления новых версий и редакций ОС. Необходимость регулярных изменений накладывает определенные требования на организацию операционных систем. Очевидно, что эти системы (как, впрочем, и другие сложные программы системы) должны иметь модульную структуру с четко определенными межмодульными связями (интерфейсами). Важную роль играет хорошая и полная документированность системы.

12.5 Классификация операционных систем. Современные операционные системы

В настоящее время существует большое количество различных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами, способами реализации и др.

Операционные системы классифицируются по:

количеству одновременно работающих пользователей:

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

многопользовательские (UNIX, Windows NT);

числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: однозадачные (MS DOS, PC , PTS DOS, Windows), многозадачные

(UNIX, OS/2, Windows’95);

количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные,

многопроцессорные (Solaris 2.x фирмы Sun, OpenServer 3.x компании SantaCrusOperations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell);

разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64 – разрядные и т.д.;

типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-

ориентированные (графические);

типу доступа пользователя к ЭВМ; с пакетной обработкой,

разделением времени, реального времени.

типу использования ресурсов: сетевые (LanServer, Windows, NT, NetWare), локальные.

Согласно шестому признаку ОС подразделяются на системы:

пакетной обработки, в которых из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

разделения времени (TSR), обеспечивающих одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной

гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними по отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами (QNX – QuatrumSoftwareSystem).

Операционная система реального времени (ОС РВ) – это система с гарантированным временем реакции на событие. Это очень важно в системах

производством и т.п.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их 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. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Системы пакетной обработкипредназначались для решения задач

восновном 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. Для достижения этой цели

всистемах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной

обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Здесь взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит