Операционные системы среды и оболочки

1вопрос

основным назначением  ОС является организация выполнения различных операций и вычислительных процессов для решения разнообразных  задач пользователя.

Основные функции  ОС

Поскольку ОС – это главное  системное программное обеспечение  в компьютере, то, естественно, оно  выполняет множество функций (более 20). Основные из них следующие:

• получение от пользователей заданий или команд и их обработка;
• загрузка в оперативную память программ, подлежащих исполнению;
• распределение памяти между процессами;
• запуск программы на исполнение;
• идентификация всех программ и данных;
• прием и обработка различных запросов от выполняющихся программ;
• обслуживание всех операций ввода-вывода;

• обеспечение работы систем управления файлами и базами данных;

• обеспечение режима мультипрограммирования;
• планирование и диспетчеризация задач;
• обеспечение взаимодействия компьютеров в сети;
• защита от влияния программ друг на друга;

• аутентификация и авторизация пользователей;

• и др.

Однако, к наиболее важным следует отнести четыре: управление задачами или процессами, управление устройствами, управление памятью или  данными, связь с оператором (рисунок 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УПРАВЛЕНИЕ ЗАДАЧАМИ ИЛИ ПРОЦЕССАМИ

УПРАЛЕНИЕ  ПАМЯТЬЮ ИЛИ ДАННЫМИ 

УПРАЛЕНИЕ

УСТРОЙСТВАМИ

СВЯЗЬ С 

ОПЕРАТОРОМ

ОС

Рисунок 2. Основные функции  ОС

 

Взаимодействие с вышеуказанными объектами происходит посредством  соответствующего интерфейса (аппаратного  или командного).

Интерфейс – система унифицированных связей и сигналов, посредством которых технические устройства вычислительной системы соединяются друг с другом.

Подробное описание основных функций ОС представлено в главе 3.

 

2вопрос

Классификация ОС

 

Вариантов классификации  может быть очень много, здесь  все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект будет  отличаться от другого. Однако, что  касается ОС, уже давно сформировалось относительно небольшое количество признаков классификаций, в частности:

- по назначению;

- по режиму обработки  задач;

-  по способу взаимодействия  с компьютером;

- по основному архитектурному принципу.

По назначению ОС традиционно различают общего и специального назначения. ОС общего назначения используются во всех типах компьютеров. ОС специального назначения используются, например, в некоторых типах микрокомпьютеров, в различных встроенных системах (самый простой пример – мобильный телефон), для организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т. д. Во времена «царствования» больших и мини-ЭВМ, операционные системы для первых персональных компьютеров (ПК) тоже относили к ОС специального назначения.

По режиму обработки  задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный (однозадачный) и мультипрограммный (мультизадачный) режимы. К однопрограммным ОС относится, например, малоиспользуемая в настоящее время MS DOS.

 

 

 

 

 

 

Классификация операционных систем

по назначению

Общего 

назначения

Специального назначения

по режиму обработки задач

по способу взаимодействия с компьютером

по способам построения

однопрограммные

мультипрограммные

диалоговые

Система пакетной обработки  данных

микроядерные

макроядерные

однопользовательская

многопользовательская

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Классификация  ОС

 

Под мульmuпрограммuрованuем понимается способ организации вычислений, когда на компьютере с одним процессором создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода-вывода данных) используется для выполнения других программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме работы ОС, однако термины «мультипрограммный режим» и «мультизадачный режим» - это не синонимы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие этих терминов заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о методах организации их параллельной работы (эти функции берет на себя сама ОС).

Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. В технической литературе об этом различии часто забывают и тем самым вносят некоторую путаницу. Однако, можно заметить, что современные ОС для персональных компьютеров реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режимы. Типичный пример однозадачной ОС – MS DOS, а многозадачной – Windows, UNIX.

По способу  взаимодействия с компьютером ОС классифицируются на диалоговые системы (интерактивные) и системы пакетной обработки данных. Пример диалоговых ОС - Windows, UNIX, а пакетной ОС - OS/360.

По методу организации  работы с вычислительной системой в  диалоговом режиме можно выделить однопользовательские (однотерминальные) и многопользовательские (мультитерминальные) ОС. В мультитерминальных ОС с одной ЭВМ одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется свой компьютер.

Очевидно, что для организации  мультитерминального доступа к компьютеру необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминальной операционной системы для ПК можно назвать Linux. Некая имитация мультитерминальных возможностей имеется и в системе Windows ХР. В этой операционной системе каждый пользователь после регистрации (входа в систему) получает свой «виртуальный» компьютер. Если необходимо временно предоставить компьютер другому пользователю, вычислительные процессы первого пользователя можно не завершать. В этом случае для другого пользователя ОС создает новый «виртуальный» компьютер. В результате компьютер будет выполнять задачи и первого, и второго пользователя. Количество параллельно работающих виртуальных компьютеров определяется имеющимися ресурсами.

Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не является планомерным и не может регулироваться оператором, то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. Для таких ОС набор задач обычно фиксирован, и вся информация о задачах известна еще до поступления запросов. В этих ОС организация режима мультипрограммирования является обязательным условием.

Наилучшую производительность обеспечивают однотерминальные ОСРВ. Одними из наиболее известных ОСРВ для персональных компьютеров являются ОС QNX, Neutrino, RSX. Подобные системы используются для управления некомпьютерным по своей природе оборудованием. Например, электростанции, технологические процессы на производстве (автоматическая регулировка температуры, влажности и т. п.), системы наведения крылатых ракет, космических спутников и т. д.

По основному архитектурному принципу операционные системы разделяются на мuкроядерные и макроядерные (монолитные). Ядро — это программные модули, выполняющие основные функции ОС (управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и др.). Модули ядра являются резидентными (часть управляющей программы, постоянно находящейся в основной памяти). Функции ядра — решать внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса и поддержки приложений.

В некоторой степени такое  разделение тоже достаточно условно. Можно  в качестве примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX. В качестве монолитной ОС (макроядерной) можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Следует отметить, что если ядро ОС Windows мы не можем  изменить, нам недоступны его исходные коды, и у нас нет программы  для сборки (компиляции) этого ядра, то в случае с Linux мы можем сами собрать  то ядро, которое нам необходимо, включив в него те программные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразными.

 

3вопрос

Управление процессами

 

В самом простейшем случае процесс – программа, запущенная к выполнению. По отношению к процессам  ОС выполняет следующие основные функции:

- создание и удаление  процессов;

- планирование и диспетчеризация  процессов;

- синхронизация процессов  и обеспечение их средствами  коммуникации;

- разрешение тупиковых  ситуаций при взаимодействии  процессов.

Создание и удаление процессов  осуществляется по соответствующим  запросам от пользователей или от самих процессов. Процесс может  породить новый процесс. При этом между ними появляются «родственные»  отношения. Порождающий процесс  называется «родителем», а порожденный - «потомком». При этом «порождающий»  процесс может приостановить  или удалить свой потомственный  процесс, но не наоборот.

Процессор является одним  из самых необходимых ресурсов для  выполнения вычислений. Поэтому способы  распределения времени центрального процессора между выполняющимися процессами сильно влияют как на скорость выполнения отдельных вычислений, так и на общую производительность компьютера. Основным способом обеспечить эффективное  использование ресурсов компьютера для выполнения задач, является организация очередей процессов и ресурсов. Этот метод используется и для распределения процессорного времени между процессами.

Решение вопросов, связанных  с тем, какой задаче следует предоставить процессорное время в данный момент, возлагается на специальный модуль ОС - планировщик процессов. Планировщик процессов непосредственно переводит процесс из одного состояния в другое (рисунок 16).

 

Новый

Готовый

Выполняемый

Ожидающий

Завершенный

Прерывание

 

Выход

Принят

Отсылка планировщика

Завершение ввода-вывода

Ожидание ввода-вывода

Рисунок 16. Схема переходов  состояния процесса

 

Процессы можно классифицировать по различным признакам и характеристикам, например:

• по временным характеристикам различают: интерактивные, пакетные и процессы реального времени. Время жизни интерактивного процесса определяется реакцией компьютера на запрос обслуживания и составляет – секунды. Процессы реального времени имеют гарантированное время окончания работы, их время реакции составляет – мсек. Пакетные процессы запускаются друг за другом, их время реакции составляет часы и более;
• по принадлежности к ОС процессы разделяют на  системные (выполняют программу из состава ОС) и пользовательские.

Существуют и другие признаки для классификации процессов. Как  известно, процесс может находиться в одном из пяти состояний (порождение – готовность – активация системы – ожидание – окончание).  На рисунке 16 представлена схема организации переходов между состояниями процесса.

Как только процесс возник, планировщик фиксирует его готовность к выполнению, и если позволяют  приоритеты и свободные ресурсы, то этот процесс может быть сразу  же зaпущен на выполнение. Если выполнение прошло до конца, то процесс будет считаться завершенным. Очень часто выполненный процесс генерирует прерывание для какого-либо другого нового процесса. Но во время выполнения процесса могут возникнуть какие-либо задержки, не дающие завершиться ему (например, задержки в устройствах ввода-вывода). В этом случае процесс переводится в состояние ожидания до тех пор, пока устройства ввода-вывода не завершат свои операции. После этого процесс будет готов к дальнейшей работе.

Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах компьютера, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно определить как  некоторую заявку на потребление  системных ресурсов.

Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной  памяти, в которой будут размещены  коды программы и данные, а также  предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы  и устройства ввода-вывода.