16, 17. Однозадачні та багатозадачні ос.

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и другими свойствами.

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

- однозадачные (например, MS-DOS, MSX и др.) ;

- многозадачные (например, OC EC, OC SVM, OC VMS, OS/2, UNIX, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP и др.)

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Все компьютерные приложения нуждаются  в хранении и обновлении информации.  Возможности оперативной памяти для хранения информации ограничены. Во-первых, оперативная память обычно теряет свое содержимое после отключения питания, а во-вторых, объем обрабатываемых данных зачастую превышает ее возможности. Кроме того, информацию желательно иметь в виде, независимом от процессов. Поэтому принято хранить данные  на внешних носителях (обычно это диски) в единицах, называемых файлами.  В большинстве компьютерных систем предусмотрены устройства внешней (вторичной) памяти, большой емкости, на которых можно хранить огромные объемы данных. Однако характеристики доступа к таким устройствам существенно отличаются от характеристик доступа к основной памяти. Чтобы повысить эффективность использования этих устройств, был разработан ряд специфичных для них структур данных и алгоритмов.

История систем управления данными во внешней памяти начинается еще с магнитных лент, но современный облик  они приобрели с появлением магнитных дисков. До этого каждая прикладная программа сама решала проблемы именования данных и структуризации данных во внешней памяти. Это затрудняло поддержание на внешнем носителе  нескольких архивов долговременно хранимой информации. Историческим  шагом явился переход к  использованию централизованных систем управления файлами. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в адреса внешней памяти и обеспечение доступа к данным.

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

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. 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, ранние версии OS/2, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP);

- вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX, OC SVM, OC VMS, ONX, RT/11,Windows 2000 Server).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. 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.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

- система пакетной обработки (например, ОС ЕС);

- системы разделения времени (NetWare, Windows 3.x, ранние версии OS/2, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP, Windows NT, OS/2, UNIX, OC SVM, OC VMS, ONX, RT/11,Windows 2000 Server);

- системы реального времени (ONX, RT/11

Многозадачные ОС позволяют работать одновременно с 255 заданиями. Многопользовательские ОС позволяют работать одновременно с 255 терминалами. К многозадачным ОС для рабочих станций относятся Windows 95/98/2000/XP/Linux и т. д. а также серверные системы для управления системами , такие как Windows NT, Windows 2000 Server, Windows 2003 Server. Многозадачные ОС рабочих станций созданые для персональных компьютеров имеют дружественный, интуитивный интерфейс. Таким образом, основное предназначение многозадачной ОС – позволять одновременное выполнение нескольких пользовательских приложений и не позволять им мешать друг другу. Кроме этого, ОС должна обеспечивать некоторое удобство программирования, иначе она вряд ли будет пользоваться успехом.

Разберём по пунктам:

1). «Позволять одновременное выполнение нескольких пользовательских приложений» это:

- поддерживать запуск нескольких приложений;

- незаметно для приложений переключать процессор с одной задачи на другую.

2).«Не позволять им мешать друг другу»:

- приложения могут использовать только ту часть оперативной памяти, которую им разрешает ОС. За исключением особых случаев, пересечения доступных разным приложениям частей не происходит;

- приложения не должны иметь прямого доступа к прерываниям;

- приложения не должны иметь прямого доступа к портам ввода-вывода, так как если несколько приложений попытаются одновременно работать с одним устройством (например, COM-портом), скорее всего, они могут мешать работе устройству и друг другу.

Основыаясь на приведеном выше:

1). Очевидно, что многозадачные ОС должны иметь доступ и к портам, и к памяти, и к прерываниям, иначе они не смогут работать.

2) Вытекает, что отделение кода ОС от кода пользовательских приложений, позволяет возможность предоставления коду ОС дополнительных привилегий.

«Удобство программирования»:

1). Наличие многозадачности должно быть прозрачно для программиста в том смысле, что если программисту не требуется взаимодействовать с другими задачами, он не должен слишком сильно беспокоиться об их существовании.

2). Современным приложениям требуется много памяти. Система обеспечивает их совмесное выполнение.

3).Наличие системных вызовов, позволяющих приложениям пользоваться услугами ОС.

10.1. 2. Функции многозадачных ОС.

Наиболее общими функциями ОС является:

управление заданиями;

распределение памяти;

управление обменом;

управление данными;

реакция на регулярные ситуации;

управление обрабатывающими программами.

Эти функции выполняют планирующие программы, анализирующие поток заданий и предварительно распределяющие машинные ресурсы. Информация ресурсов необходимая для задачи содержится в так называемом паспорте задачи. После расчленения на пункты, заданиями начинают управлять программы, вызываемые супервизором.

Супервизор ведает текущим обеспечением задач ресурсами, управляет распределением памяти и процессами обмена с внешними устройствами. Программы, соответствующие задачам обычно расчленяются на несколько сегментов, являющимися единицами загрузки в оперативную память. Функция супервизора является также вызов сегментов с внешних устройств для их выполнения, настройка на истинные адреса в ОП и обеспечение связи между отдельными сегментами. Часто эти функции реализуют специальные программы загрузчики.

Управление данными заключается в организации на запоминающих устройствах внешних каталогизированных систем (файловых систем).

В процессе работы РС могут возникнуть различные нерегулярные ситуации, связанные с неисправностями самой машины или ошибочными действиями пользователя. При возникновении таких ситуаций управления программа реагирует на вырабатываемую информацию (например сигналы прерывания ), анализирует ситуацию и предпринимает действия к диагностики неисправностей РС и их локализацию, если возможно устранение.