§ 2. Операционные системы

ОС – это система программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вы­числительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователям набора услуг. Занимает центральное место в структуре ПО.

Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализуют такие функции, как планирование и распределе­ние ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными.

Объем ОС и число составляющих ее программ в значитель­ной степени определяются типом используемых ЭВМ, сложностью режимов работы ЭВМ и ВС, составом технических средств и т.д.

Применение ОС имеет следующие цели:

1. увеличение пропускной способности ЭВМ, т.е. увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;

2. уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и мо­ментами получения результатов;

3. контроль работоспособности технических и программных средств;

4. помощь абонентам и операторам при использовании ими технических и программных средств, облегчения их работы;

5. управление программами и данными в ходе вычислений;

6. обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техничес­кими и программными средствами.

Любая ОС имеет средства приспособления к классам решаемых пользователями задач и к конфигурации средств, включаемых в ВС. Назначение состава услуг, которыми могут пользоваться абоненты, осуществляется различными методами.

В больших ЭВМ формирование кон­кретной конфигурации ОС осуществляется на нескольких уровнях. Пред­варительно этот состав определяется при генерации ОС.

Генерация си­стемы - это процесс выделения отдельных частей операционной системы и построения частных операционных систем, отвечающих требованиям системы обработки данных.

Из полного на­бора программных модулей ОС (дистрибутива) формируется специаль­ный набор этих средств, в наибольшей степени отвечающий запросам пользователей. Коррекция же состава используемых услуг может быть выполнена непосредственно перед решением задач операторами вычис­лительного центра или самими пользователями. Оперативное обраще­ние к средствам ОС возможно и из программ пользователей путем включения в них специальных директив.

Для наиболее распространенных моделей ПК конфигурация аппа­ратных средств задается установкой перемычек на системной плате (motherboard) и платах контроллеров периферийных устройств. Пере­менные конфигурации также записываются в область данных базовой системы ввода-вывода (Basic Input-Output System - BIOS) и в энерго­независимую память - комплементарную металл – окисел - полупровод­никовую микросхему (Complimentary Metal Oxide Semiconductor - CMOS), предназначенную и для хранения отсчетов часов реального времени. Конфигурацией можно управлять и программно.

При первом включении компьютера программой начальных установок (Bios Setup Program) обеспечивается запись основных параметров системы, кото­рые сохраняются в CMOS-памяти компьютера.

Для каждого типа компьютера возможно использование несколь­ких типов ОС. Все они имеют несколько версий. Отличия ОС определяются составом и детализацией системных функций.

Вычислительный процесс в системе представляется в виде последовательности, как правило, ветвящейся, простых процессов - одноразовых работ, выполняемых ресурсами ВС.

Ресурсы ВС - это сред­ства, необходимые для вычислений. К ресурсам ВС в первую очередь относят машинное время компьютеров (процессоров), объемы внеш­ней и особенно оперативной памяти, любые внешние устройства, подключаемые ВС, вплоть до каналов связи. Ресурсами являются и программные средства, как общего, так и специального ПО и даже отдельные информационные массивы, например, базы данных, библиотеки и т.д.

Функции управления ресурсами осуществляет операционная си­стема путем построения специальных управляющих таблиц, отра­жающих наличие и состояние ресурсов. Связь процессов в цепочки осуществляется по событиям, представляющим собой изменение состоя­ния ресурса, изменение его характеристик. Именно по событиям ОС включается в работу и адекватно реагирует на сложившуюся ситуацию.

Управление вычислительным процессом практически не может быть оптимизировано, если не считать заложенной стратегии в саму ОС.

Основу любой ОС составляет управляющая программа, основны­ми функциями которой являются: управление заданиями, управление задачами, т. е. управление ходом выполнения отдельных программ и управление данными.

Задание - это требование пользователя на выполнение некоторого объема вычислительных работ.

Процедуры управления заданиями обеспечивают предварительное планирование работы ЭВМ и оперативную связь пользователя и оператора с машиной во время работы.

Планирование работы включает: ввод пакетов или одиночных зада­ний, формирование очередей заданий в соответствии с их приоритетами, активизацию, (запуск) и завершение заданий.

Каждое задание реализуется как определенная последовательность отдельных программ - задач. Задачи образуют отдельные программы вместе с обрабатываемыми ими данными. Например, типовое задание пользователя включает этапы трансляции, редактирования и собственно выполнения сформированной машинной программы. На каждом из этих этапов выполняется некоторая программа (задача), обрабатывающая определенные данные.

Комплекс программ управления задачами обеспечивает автоматическое выполнение последовательности программ каждого задания пользователя.

Управление задачами требует распределения и назначения ресурсов (управления временем работы процессора, распределения оперативной памяти для программ пользователей и программ ПО, синхронизации выполнения задач и организации связей между ними, управления очередностью задач, внешними устройствами, защиты задач от взаимных помех). Ведущей программой управления зада­чами является управляющая программа – диспетчер: супервизор, базовый модуль ДОС или др.

Часто используемые модули образуют ядро ОС, которое постоянно находится в оперативной памяти и быстро реагирует на изменяющиеся условия функционирования.

Остальные программы ОС вызываются в оперативную память по мере их надобности в вычислительном процессе.

Набор программ управления данными обеспечивает процессы организации, идентификации, размещения в ОЗУ хранения, пост­роения библиотек и выборки всех данных, которые могут обрабаты­ваться в компьютере.

В ПК программы управления заданиями представлены достаточ­но слабо, так как они изначально создавались как однопользователь­ские и однозадачные ЭВМ. С появлением ОС типа Windows, ориенти­рованных на многозадачные и многопользовательские режимы, появились и эти процедуры. Программы же управления задачами и данными представлены достаточно полно.

Microsoft Windows - довольно сложная операционная система. Отличительной особенностью ее построения служит стремление фир­мы Microsoft подойти с единых позиций к интеграции в вычислитель­ных системах всевозможных аппаратных и программных средств приложений, построению различных информационных систем, в первую очередь бизнес - систем, формированию на их основе систем уп­равления фирмами, корпорациями и предприятиями, разработке соот­ветствующих Стандартов и т.п.

Плановая и продуманная система совершенствования ОС и ее распространения обеспечила популярность и лидерство на рынке ПК, принадлежащих платформе Wintel (Windows плюс Intel). Принцип ее построения состоит в следующем.

На основе базовых функций нижнего уровня (практически уровня DOS) формируются библиотеки универсальных функций, используе­мые практически во всех разработках. Развитие Windows осуществ­ляется по трем направлениям на единых базовых концепциях, но с ориентацией на различные области применения:

- ОС (Windows 2000 Server и Windows Server 2003), рассчитанная на сетевое применение, управление рабочими станциями, серверами и центрами обработки данных;

- ОС потребительского класса, представленная двумя подклассами: ОС для офисного использования (MS Windows 2000 Professional, Windows XP Professional, Windows XP 64-Bit Edition) и ОС для домашнего пользователя (MS Windows 98SE, Windows Millenium Edition, Windows XP Home Edition);

- Windows CЕ, рассчитанная на карманные и встроенные компь­ютеры. Она ориентирована на специфические применения малых ком­пьютеров, их малую память и производительность.

Все направления сконцентрированы на использовании единого интерфейса прикладного программирования (Application Programming Interface - API) и динамически подключаемых библиотек, (Dynamic-link libraries - DLL). Среди множества DLL основными являются:

- Kernel32.dll - управление процессами, потоками, памятью;

- User32.dll - поддержка API, каркасов приложений и передачи сообщений;

- CDI32.dll - графика и ввод-вывод информации.

Корпоративная версия операционных систем знаменует серьезность намерений фирмы Microsoft в борьбе за рынок серверных систем, традиционно принадлежащий производителям коммерческих версий ОС Unix, фирмам Novell и Sun.

В основу разработки системы ставится надежность, защита данных, поддержка необходимого для корпоративных пользователей набора офисных приложений и улучшение про­цедур сетевого администрирования.

В ОС семейства Windows вклю­чены четыре версии:

- Windows Professional - для профессиональной работы на авто­номных ПК;

- Windows 2000 Server используется для создания и управления серверами рабочих групп и отделов;

- Windows Advanced Server, для создания сложных приложений и более надежных серверов (до 8 процессоров);

- Windows Data Center (центр обработки данных, вычислитель­ный центр) для создания наиболее ответственных систем обработки данных (до 32 процессоров).

Они представлены в порядке возрастания их возможностей. Пос­ледние три версии служат для комплектования серверов компьютер­ных сетей в зависимости от их класса.

Следующая версия Windows XP, появившаяся в 2002 г., как промежуточная, и Windows.net, ожидающаяся в 2004 г., развивают это направление. Включение в их состав версий Data Center показывает направленность Microsoft на построение в компьютерных сетях ком­мерческих вычислительных центров. Например, Windows Server 2003 содержит компоненты:

- Windows Server 2003 Web Edition - для хостинга Web-приложений;

- Windows Server 2003 Standard Edition - для серверов и рабочих групп; |

- Windows Server 2003 Enterprise Edition - для приложений и более надежных серверов (до 8 процессоров);

- Windows Server 2003 Datacenter Edition - для наиболее ответственных систем обработки данных (до 32 процессоров).

Больших успехов и признательности пользователей - профессионалов добилась операционная система Linux. Она является многозадачной, многопроцессорной и многопользовательской средой. Отличительными ее особенностями служат свободное и бесплатное распространение, открытость программного кода, что позволяет постоянно ее совершенствовать; более высокая, чем у Windows, надежность и устойчивость, масштабируемость, а также ориентация на Unix - платформу. |

Более детально ОС мы рассмотрим в дальнейшем, когда будем рассматривать сетевое программное обеспечение.