Понятие и основные виды операционных систем

gn:justify">•          Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает воз­можность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структуризованность системы, состоящей из набора хорошо определенных объ­ектов.

•          Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках од­ной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы неко­торого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над ко­торым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы. [5]

•          Распределенная организация операционной системы позволяет упро­стить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределен­ной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС яв­ляются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокуп­ность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - про­токолам.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить не­сколько частей:

•          Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и дис­петчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных ма­шинах, управления периферийными устройствами и другие функции управле­ния ресурсами локальных ОС.

•          Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее поль­зование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использова­ния; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удален­ного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление оче­редями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройст­вам.

• Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их ис­пользования - клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распо­знавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от прило­жений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сер­вера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преоб­разование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локаль­ных и удаленных запросов неразличимо.

•              Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит об­мен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей ло­кальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции.

Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и в современных ОС, таких, например, как LANtastic или Personal Ware. [2]

 

1.2.  Требования к операционной системе

 

Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ.

Надежность. Операционная система должна быть надежной, как и аппаратура, с которой она взаимодействует. Она должна иметь возможность определения и диагностирования собственных ошибок, а также восстановления работоспособности компьютера после большинства характерных ошибок, происходящих по вине пользователя. Кроме того, ОС должна минимизировать вред, который пользователь может причинить системе своими неправильными действиями.

Защита программ и данных. Операционная система должна защищать выполняемые программы и данные от взаимного влияния их друг на друга.

Предсказуемость. Операционная система должна отвечать на запросы пользователя предсказуемым образом. Результаты выполнения любых команд пользователя должны быть одними и теми же, вне зависимости от последовательности, в которой эти команды посылаются на исполнение.

Удобство. Операционная система должна облегчать работу пользователю, освобождая его от задач по управлению ресурсами ЭВМ и распределению их между программами. Система должна быть спроектирована с учетом основных факторов человеческой психологии.

Эффективность. При распределении ресурсов операционная система должна использовать минимум системных ресурсов для собственных нужд, максимально предоставляя их выполняющимся задачам (программам) пользователя.

Гибкость. ОС должна позволять увеличивать или уменьшать используемые аппаратные ресурсы для того, чтобы улучшать эффективность и скорость работы программ.

Модифицируемость. ОС должна иметь возможность добавления новых функциональных модулей, позволяющих в процессе ее совершенствования.

Ясность. Пользователь может оставаться в неведении относительно механизма внутренних операций ОС, но в то же время должен иметь возможность получения полного отчета о ходе их выполнения. [1]

Расширяемость. Код должен быть написан таким образом, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить целостность системы.

Расширяемость может достигаться за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействую­щих только через функциональный интерфейс. Новые компоненты могут быть добавлены в операционную систему модульным путем, они выполняют свою работу, используя интерфейсы, поддерживаемые существующими компонента­ми.

Переносимость. Код должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа.

Для легкого переноса ОС при ее разработке должны быть соблюдены следующие требования:

Переносимый язык высокого уровня. Большинство переносимых ОС на­писано на языке С (стандарт ANSI ХЗ. 159-1989). [1]

Изоляция процессора. Некоторые низкоуровневые части ОС должны иметь доступ к процессорно зависимым структурам данных и регистрам. Одна­ко код, который делает это, должен содержаться в небольших модулях, которые могут быть заменены аналогичными модулями для других процессоров.

Изоляция платформы. Зависимость от платформы заключается в разли­чиях между рабочими станциями разных производителей, построенными на одном и том же процессоре.

Отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны быть в состоя­нии наносить вред ОС.

Совместимость. ОС должна иметь средства для выполнения при­кладных программ, написанных для других операционных систем. Кроме того,
пользовательский интерфейс должен быть совместим с существующими системами и стандартами.

Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимо­сти на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость дости­гается том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответст­вующего компилятора в составе программного обеспечения, а также совмести­мости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима пере­компиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Безопасность. ОС должна обладать средствами защиты ресурсов од­них пользователей от других.

Производительность. Система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.[1]

 

1.3.   Состав операционной системы и назначение компонент

 

Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

Большинство ОС состоит из следующих основных модулей: базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System); загрузчик операционной системы (Boot Record); ядро ОС; драйверы устройств; командный процессор; внешние команды (файлы).

Базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System) – это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в ПЗУ компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.

Первая функция BIOS – автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и/или выдается звуковой сигнал.

Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске. Загрузив в ОЗУ этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.

Еще одна важная функция BIOS – обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы – это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска. Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро ОС реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

      файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

      система управления памятью (размещает программы в памяти);

      система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

      система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

      система обработки ошибок;

      служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).[1]

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

В состав операционной системы входит специ­альная программа – командный процессор, - которая запрашивает у пользова­теля команды и выполняет их.

Пользователь может дать команду запуска программы, выполнения ка­кой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), вывода документа на печать и так далее. Операционная система должна эту команду выполнить.

Некоторые команды пользователя, например, Type, Dir или Сор команд­ный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и если находит ее, то загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о го­товности к выполнению команд. [3]