17. Архитектура операционных систем.

Назначение операционной системы. Операционная система – совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем. ОС образует автономную среду, не связанную ни с одним языком программирования. Функции ОС: 1) управление работой каждого блока ПК и их взаимодействие; 2) управление выполнением программ; 3) организация хранения информации во внешней памяти; 4) взаимодействие пользователя с ПК, т.е. поддержка интерфейса пользователя. Обычно ОС хранится на НЖМД (системном диске), но возможно ее хранение и на НГМД или другом носителе. При включении компьютера ОС автоматически загружается с диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. ОС создается не для отдельной модели ПК, а для серии ПК, в структуре которых заложена и развивается во всех последующих моделях определенная концепция. Понятие ФС. В основе любой ОС лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в ОС принцип организации хранения, логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов. Файл – логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которых во внешней памяти выделяется именованная область. Файл - набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. файловая система — это набор спецификаций и соответствующее им ПО, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используют­ся файлами. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-нибудь ином носителе данных. Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС. Например, ОС Unix никак не может функционировать без файловой системы, т.к. понятие файла является для неё одним из самых фундаментальных. Так, сис­тема, получившая это название и разработанная для первых ПК, называлась просто FAT, сейчас ее называют FAT-12 (12 означает, что для указания адреса данных, составляющих файл используют 12 двоичных разрядов). Ее разрабаты­вали для работы с дискетами, и некоторое время она использовалась при работе с жесткими дисками. Потом ее усовершенствовали для работы с жесткими диска­ми большего объема, и эта новая реализация получила название FAT-16. Это на­звание ФС мы используем и по отношению к СУФ самой MS-DOS. Реализацию же СУФ для OS/2, которая использует основные принципы системы FAT, называют super-FAT; ос­новное отличие — возможность поддерживать для каждого файла расширенные атрибуты. Есть версия СУФ с принципами FAT и для Windows 95/98, для Windows NT и т. д. Другими словами, для работы с файла­ми, организованными в соответствии с некоторой ФС, для каж­дой ОС должна быть разработана соответствующая СУФ. Файловая система FAT. Аббревиатура FAT (file allocation table) расшифровывает­ся как «таблица размещения файлов». Этот термин относится к линейной таб­личной структуре со сведениями о файлах — именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местонахождение файлов (или их фрагмен­тов) в среде FAT. Элемент FAT определяет фактическую область диска, в кото­рой хранится начало физического файла. ФС FAT получила своё название благодаря простой таблице в которой указано: 1) непосредственно адресуемые участки логического диска, ответственные за размещение в них файлов или их фрагментов; 2) свободные области дискового пространства; 3) дефектные области диска (содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без ошибок). В ФС FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данныхСистемная область состоит из следующих компонентов, расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом: 1) загрузочная запись (boot record, BR); 2) зарезервированные сектора (reserved sector, ResSec); 3) таблица размещения файлов (file allocation table, FAT); 4) корневой каталог (root directory, RDir). Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу­рой. Область дан­ных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее — только в области данных). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT-16 используется 16-бито­вое слово, следовательно, можно иметь до 2¹⁶ = 65536 кластеров (с номерами от 0 до 65535). Файловые системы VFAT и FAT32. Одной из важнейших характеристик исходной FAT было использование имен файлов формата «8.3», в котором 8 символов отводится на указание имени фай­ла и 3 символа — для расширения имени. К стандартной FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT 16) добавились еще две разновидности, используе­мые в широко распространенных ОСах Microsoft (конкретно – в Windows 95 и Windows NT): VFAT (виртуальная FAT) и FAT32, используемая в одной из редакций ОС Windows 95/98. Сегодня FAT32 поддерживается и такими ОС, как Windows Millennium Edition, и все­ми ОС семейства Windows 2000. Имеются реализации систем управления фай­лами FAT32 для Windows NT и Linux. ФС VFAT впервые появилась в Win 3.11 и была предназначена для выполнения файлового ввода/вывода в защищенном режиме. С выходом Win 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов (long file name, LFN). Тем не менее, VFAT сохраняет совместимость с исходным вариантом FAT; это означает, что наряду с длинными именами в ней поддерживаются имена формата «8.3», а также существует специальный механизм для преобразования имен «8.3» в длинные имена, и наоборот. Именно ФС VFAT поддерживается исходными версиями Win 95/NT 4/2000/XP. На смену системе VFAT пришла ФС FAT32. ФС FAT32 является полностью самостоятельной 32-разрядной ФС и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT. Принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространствоФС HPFS. HPFS расшифровывается как «High Performance File System» - высокопроизводительная файловая система. HPFS впервые появилась в OS/2 версии 1.2 и LAN Manager. HPFS была разработана совместными усилиями лучших специалистов компании IBM и Microsoft на основе опыта IBM по созданию ФС MVS, VM/CMS и виртуального метода доступа. Архитектура HPFS начала создаваться как ФС, которая сможет использовать преиму­щества многозадачного режима и обеспечит в будущем более эффективную и на­дежную работу с файлами на дисках большого объема. HPFS была первой файловой системой для ПК, в которой была реализована поддержка длинных имен. HPFS, как многие другие ФС обладает структурой каталогов, но в ней также предусмотрены автоматиче­ская сортировка каталогов и специальные расширенные атрибуты, упрощающие реализацию безопасности файлового уровня и создание множественных имен. HPFS поддерживает те же самые атрибуты, что и ФС FAT, но также поддерживает и новую форму file-associated, то есть инфо, называемую расширенными атрибутами. Главным отличием этой системы являются базовые принципы хранения информации о местоположении файлов. Принципы размещения файлов на диске, положенные в основу HPFS, увеличи­вают как производительность ФС, так и ее надежность и отказо­устойчивость. ФС NTFS. NTFS – «New Technology», то есть «новая технология». NTFS содержит ряд значительных усовер­шенствований и изменений, существенно отличающих ее от других ФС. С точки зрения пользователей, файлы по-прежнему хранятся в катало­гах (часто называемых «папками» или фолдерами). Однако в NTFS, в отличие от FAT, работа на дисках большого объема происходит намного эффективнее; имеются средства для ограничения доступа к файлам и катало­гам, введены механизмы, существенно повышающие надежность ФС, сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секто­ров и/или кластеров. При проектировании системы NTFS особое внимание было уделено следующим характеристикам. Надежность. Высокопроизводительные ПК и системы совместного пользования (серверы) должны обладать повышенной надежностью, которая является ключевым элементом структуры и поведения NTFS Ограничение доступа к файловым каталогам. ФС NTFS поддерживает объектную модель безопасности ОС Win NT и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты. NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов и каталогов. Это означает, что разрешение доступа к томам, файлам и каталогам может зависеть от учетной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту ФС, его разрешение на доступ проверяется по списку управления доступом. Если пользователь обладает необходимым уровнем разрешений, его запрос удовлетворяется, иначе запрос откланяется. Эта модель безопасности как при регистрации пользователя на ПК, так и при удаленных сетевых запросах. Расширенная функциональность. NTFS проектировалась с учетом возможного расширения. В ней были воплощены многие дополнительные возможности: усовершенствованная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная обработка потоков данных и соз­дание файловых атрибутов, определяемых пользователем. Эта система позволяет сжимать как отдельные файлы, так и каталоги. В NTFS введена возможность шифрования хранимых файлов. В Win 2000 и Win XP в случае использования ФС NTFS можно включить квотирование, при котором пользователи могут хранить свои файлы только в пределах отведенной им квоты на дисковом пространстве. Поддержка дисков большого объёма. Эта система создавалась с расчётом работы с большими дисками, хорошо себя проявила при работе с дисками объёма от 200 – 400 Мб и выше. Чем больше объём диска и чем больше на нем файлов, тем больше выигрыш от использования NTFS вместо FAT16 и FAT32. Гибкость. Модель распределения дискового пространства в NTFS отличается чрезвычайной гибкостью. Размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт; он представляет собой число, кратное внутреннему кванту распре­деления дискового пространства. NTFS также поддерживает длинные имена файлов, набор символов Unicode и альтернативные имена формата 8.3 для со­вместимости с FAT. Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл: прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT; уменьшается возможная фрагмента­ция файлов; ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенных для него. Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использова­нию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов. Принципы проектирования ОС. Принцип модульности. ОС строится из множества программных модулей. Модуль (в общем случае) – функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает легкий способ его замены другим при наличии заданного интерфейса. Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще разделение происходит по функциональному признаку. Принцип виртуализации. Сейчас этот принцип используется в любой ОС. Виртуализация ресурсов позволяет не только организовать разделение тех ресурсов между вычислительными процессами, которые не должны разделяться. Виртуализация позволяет абстрагироваться от конкретных ресурсов, максимально обобщить их свойства и работать с некоторой абстракцией, вобравшей в себя наиболее значимые особенности. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов. Принцип мобильности. Мобильность означает возможность и легкость переноса ОС на другую аппаратную платформу. Мобильная ОС обычно разрабатывается с помощью специального языка высокого уровня, предназначенного для создания системного ПО. Такой язык помимо поддержки высокоуровневых операторов, типов данных и модульных конструкций должен позволять непосредственно использовать аппаратные возможности и особенности процессоров. Кроме этого, такой язык должен быть широко распространенным и реализованным в виде систем программирования, которые либо уже существуют на целевой платформе, либо позволяют получать программные коды для целевого ПК. Принцип совместимости. Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнить программы, написанные для других систем или для более ранних версий данной ОС, а также для другой аппаратной платформы. Принцип генерируемости. Согласно этому принципу исходное представление центральной системной управляющей части ОС должно обеспечивать возможность настройки исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решений задач. Микроядерные и макроядерные ОС. Микроядро – min стержневая часть ОС, служащая основой модульных и переносимых расширений. Полагают, что большинство ОС следующих поколений будут обладать микроядрами. Основная идея, заложенная в технологию микроядра (будь то ОС или ее графический интерфейс): конструировать необходимую среду верхнего уровня, из которой можно легко получить доступ ко всем функциональным возможностям уровня аппаратного обеспечения. При этом ядро – стартовая точка для создания системы. Микроядро – маленький, передающий сообщения модуль системного программного обеспечения, работающий в наиболее приоритетном состоянии ПК и поддерживающий остальную часть ОС, рассматриваемую как набор серверных приложений. Созданная в университете Карнеги Меллон технология микроядра Mach служит основой для многих ОС. Исполняемые микроядром функции ограничены в целях сокращения его размеров и максимизации количества кода, работающего как прикладная программа. Микроядро обеспечивает только 5 типов сервисов: 1) управление виртуальной памятью; 2) задания и потоки; 3) межпроцессорные коммуникации (IPC); 4) управление поддержкой ввода/вывода и прерываниями; 5) сервисы набора хоста и процессора (хост – ПК с IP-адресом). В макроядерной (монолитной) ОС очень трудно удалить один из уровней многоуровневой модульной структуры. Модель «клиент-сервер» предполагает наличие программного компонента, являющегося потребителем какого-либо сервиса-клиента, и программного компонента, служащего поставщиком этого сервиса-сервера. Сервер может обслуживать клиентов, реализованных разными способами, и, может быть, разными разработчиками. При этом главным требованием является использование единообразного интерфейса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг и сервером для другого вида услуг. При поддержке монолитных ОС возникает ряд проблем, связанных с тем, что все функции макроядра работают в едином адресном пространстве. Преимущество микроядерных ОС перед макроядерными: каждый компонент системы представляет собой самостоятельный процесс, запуск или остановка которого не отражается на работоспособности остальных процессов. Микроядерные ОС в настоящее время разрабатываются чаще монолитных. ОС Windows NT построена на идеологии клиент-сервер, но она – не микроядерная ОС. ОС реального времени. Система реального времени (СРВ) должна давать отклик на любые непредсказуемые внешние воздействия в течение предсказуемого интервала времени. Для этого должны выполняться свойства: ограничение времени отклика и одновременность обработки. Примеры СРВ: системы управления АЭС или какими-нибудь технологическими процессами, медицинского мониторинга, управления вооружением, космической навигации, разведки, управления лабораторными экспериментами, управления автомобильными двигателями, робототехника, телеметрические системы управления, системы антиблокировки тормозов, системы сигнализации и др. СРВ считается жесткой, если «нарушение временных ограничений недопустимо», и мягкой, если «нарушение временных ограничений нежелательно». ОСРВ может только служить основой для построения мягкой или жесткой СРВ. Требования к ОСРВ. 1) Мультипрограммность и многозадачность. Max время выполнения любого действия должно быть известно заранее и должно соответствовать требованиям приложения. ОС должна быть многопоточной по принципу абсолютного приоритета (прерываемой): планировщик должен иметь возможность прервать любой поток и предоставить ресурс тому потоку, которому он более необходим. 2) Приоритеты задач (потоков). ОСРВ отдает ресурс потоку или драйверу с ближайшим крайним сроком (управление временным ограничением). Чтобы реализовать это временное ограничение, ОС должна знать, сколько времени требуется каждому из выполняющихся потоков для завершения. Этот принцип сложен, поэтому ОС, построенных по этому принципу, практически нет. Поэтому вводится понятие уровня приоритета для задачи, и временные ограничения сводятся к приоритетам. 3) Наследование приоритетов. Различные треды используют одно и то же пространство памяти, а процессы почти не разделяют его, они в основном работают в своих локальных адресных пространствах. 4) Синхронизация процессов и задач. Необходимы механизмы, гарантированно предоставляющие возможность параллельно выполняющимся задачам и процессам оперативно обмениваться сообщениями и синхросигналами. Эти системные механизмы должны быть всегда доступны процессам, требующим реального времени. Следовательно, системные ресурсы для их функционирования должны быть распределены заранее. 5) Предсказуемость. Время выполнения системных вызовов и временные характеристики поведения системы в различных обстоятельствах должны быть известны разработчику.

18.Системное программное обеспечение (System Software) – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ. Системное программное обеспечение (СПО) включает в себя: базовое ПО, содержащее операционные системы (ОС) и операционные оболочки; сервисное ПО (или утилиты), содержащие программы диагностики работоспособности компьютера, антивирусные программы, программы обслуживания дисков, программы архивирования данных, программы обслуживания сетей. Базовое программное обеспечение – минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. Сервисное программное обеспечение – программы и программные ком­плексы, которые расширяют возможности базового программного обеспе­чения и организуют более удобную среду работы пользователя. В базовое программное обеспечение входят: операционная система; операционные оболочки (текстовые и графические); сетевая операционная система. Операционная система предназначена для управления выполнением пользо­вательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ. В секторе программного обеспечения и операционных систем ведущее положение за­нимают фирмы IBM, Microsoft, UNISYS, Novell. Операционные оболочки – специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные обо­лочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Наиболее популярны следующие виды текстовых оболочек операционной системы Windows: Norton Commander - фирма Symantec; Norton Navigator и др. Эти программы существенно упрощают задание управляющей информации для вы­полнения команд операционной системы, уменьшают напряженность и сложность работы конечного пользователя. Сетевые операционные системы – комплекс программ, обеспечиваю­щий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользовате­лям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы yправления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах. Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом: 1.программы диагностики работоспособности компьютера; 2.антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и восстановление зараженных файлов; 3.программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физическом уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование данных на внешних носителях и др.; 4.программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;- программы обслуживания сети. Эти программы часто называются утилитами. Утилиты - программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.). Оптимальный состав системного программного обеспечения современных персональных компьютеров состоит из: 1. операционной системы; 2.антивирусной программы; 3. файловый менеджер; 4. программы архивирования данных.