По назначению ос делятся на. Архитектура, назначение и функции операционных систем

Назначение операционной системы:

Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.

Назначение ОС - организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса (Интерфейс - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающих их эффективное взаимодействие) между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС. Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.

В программном обеспечении ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонентов программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.

Классификация операционных систем:

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 многими другими свойствами.

В зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

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

1. однозадачные;

2. многозадачные.

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.

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

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

1. системы пакетной обработки;

2. системы разделения времени;

3. системы реального времени.

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами. Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

1. однопользовательские;

2. многопользовательские.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

1. невытесняющая многозадачность;

2. вытесняющая многозадачность.

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.

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Существует несколько схем классификации операционных систем . Ниже приведена классификация по некоторым признакам с точки зрения пользователя.

По количеству одновременно работающих пользователей:

• Однопользовательские ОС позволяют работать на компьютере только одному человеку.
• Многопользовательские ОС поддерживают одновременную работу на ЭМВ нескольких пользователей за различными терминалами.

По числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы:

• Однозадачные ОС поддерживают выполнение только одной программы в отдельный момент времени, то есть позволяют запустить одну программу в основном режиме.
• Многозадачные ОС (мультизадачные) поддерживают параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы на некотором отрезке времени, то есть позволяют запустить одновременно несколько программ, которые будут работать параллельно, не мешая друг другу.

При многозадачном режиме, в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей, время работы процессора разделяется между программами, находящимися в оперативной памяти и готовыми к обслуживанию процессором, Параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различными внешними устройствами.

Современные ОС поддерживают многозадачность, создавая иллюзию одновременной работы нескольких программ на одном процессоре. На самом деле за фиксированный период времени процессор обрабатывает только один процесс, а процессорное время делится между программами, организуя тем самым параллельную работу. Это замечание не относится к многопроцессорным системам, в которых в действительности в один момент времени могут выполняться несколько задач.

Многозадачная ОС, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограммный (многозадачный) режим. Многозадачный режим, который воплощает в себе идею разделения времени, называется вытесняющим (preemptive). Каждой программе выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другой программе. Говорят, что первая программа будет вытеснена. В вытесняющем режиме работают пользовательские программы большинства ОС.

По количеству поддерживаемых процессоров (однопроцессорные, многопроцессорные):

Многопроцессорные ОС поддерживают режим распределения ресурсов нескольких процессоров для решения той или иной задачи. При многопроцессорном режиме работы два или несколько соединенных и примерно равных по характеристикам процессора совместно выполняют один или несколько процессов (программ или наборов команд). Цель такого режима – увеличение быстродействия или вычислительных возможностей.
Многопроцессорные ОС разделяют на симметричные и асимметричные. В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро, и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована. При этом каждому из процессоров доступна вся память.
В асимметричных ОС процессоры неравноправны. Обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

По типу доступа пользователя к ЭВМ (с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени):

ОС пакетной обработки : в них из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности.

ОС разделения времени обеспечивают одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания. Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к исполнению, выделяется для исполнения фиксированный, задаваемый в соответствии с приоритетом пользователя интервал времени (интервал мультиплексирования). Если программа не выполнена до конца за этот интервал, ее исполнение принудительно прерывается, и программа переводится в конец очереди. Из начала очереди извлекается следующая программа, которая исполняется в течение соответствующего интервала мультиплексирования, затем поступает в конец очереди и т.д. в соответствии с циклическим алгоритмом.

ОС реального времени обеспечивают определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними по отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами. При таком режиме ЭВМ управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и информацию, непосредственно поступающую от объекта управления.

По разрядности кода операционной системы: восьмиразрядные, шестнадцатиразрядные, тридцатидвухразрядные, шестидесяти четырехразрядные:

Разрядность кода – это разрядность используемых аппаратных средств (например, использование 32-разрядных регистров для процессоров). Подразумевается, что разрядность ОС не может превышать разрядности процессора.

По типу интерфейса (командные (текстовые), объектно-ориентированные (как, правило, графические):

Пользовательский интерфейс – это программные и аппаратные средства взаимодействия пользователя с программой или ЭВМ. Пользовательский интерфейс бывает командным и объектно-ориентированным.

Командный интерфейс предполагает ввод пользователем команд с клавиатуры при выполнении действий по управлению ресурсами компьютера. При этой технологии в качестве единственного способа ввода информации от человека к компьютеру служит клавиатура, а компьютер выводит информацию человеку с помощью монитора. Эту комбинацию (монитор + клавиатура) стали называть консолью .

Команды набираются в командной строке. Командная строка представляет собой строку приглашения. Команда заканчивается нажатием клавиши Enter. После этого осуществляется переход в начало следующей строки. Именно с этой позиции компьютер выдает на монитор результаты своей работы. Затем процесс повторяется.

Примечание

В командной строке записана команда создания (md) каталога Kat1 в корневом каталоге диска C.

Объектно-ориентированный интерфейс – это управление ресурсами вычислительной системы посредством осуществления операций над объектами, представляющими файлы, каталоги (папки), дисководы, программы, документы и т.д.

Разновидностью объектно-ориентированного интерфейса является графический WIMP — интерфейс (Window — окно, Image — образ, Menu — меню, Pointer — указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов — меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается «опосредованно», через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и «чистый» WIMP-интерфейс, пример графический WIMP-интерфейс ОС Windows.

Кроме названных основных видов интерфейса можно выделить еще один – SILK — интерфейс (Speech — речь, Image — образ, Language — язык, Knowlege — знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный «разговор» человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму.

По типу использования ресурсов (сетевые, не сетевые): Сетевые ОС: Novell NetWare, Windows 2008 Server.

Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, и предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также множество сервисных возможностей по использованию сетевых ресурсов.

По особенностям методов построения : монолитное ядро или микроядерный подход.

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.

Способы построения ядра системы — монолитное ядро или микроядерный подход . Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС — серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой — ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

Операционные системы классифицируются по:

Количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;

Числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: однозадачные, многозадачные;

Количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные;

Разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;

Типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);

Типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени;

Типу использования ресурсов: сетевые, локальные.

В соответствии с первым признаком классификации многопользовательские операционные системы, в отличие от однопользовательских, поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей за различными терминалами.

Второй признак предполагает деление ОС на многозадачные и однозадачные. Понятие многозадачности означает поддержку параллельного выполнения нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы, в один момент времени. Однозадачные ОС поддерживают режим выполнения только одной программы в отдельный момент времени.

В соответствии с третьим признаком многопроцессорные ОС, в отличие от однопроцессорных, поддерживают режим распределения ресурсов нескольких процессоров для решения той или иной задачи.

Четвертый признак подразделяет операционные системы на 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. При этом подразумевается, что разрядность операционной системы не может превышать разрядности процессора.

В соответствии с пятым признаком ОС по типу пользовательского интерфейса делятся на объектно-ориентированные (как правило, с графическим интерфейсом) и командные (с текстовым интерфейсом). Согласно шестому признаку ОС подразделяются на системы:

Пакетной обработки, в которых из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

Разделения времени (TSR), обеспечивающих одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;

Реального времени, обеспечивающих определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними но отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами.

В соответствии с седьмым признаком классификации ОС делятся на сетевые и локальные. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, и предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также множество сервисных возможностей по использованию сетевых ресурсов.

В большинстве случаев сетевые операционные системы устанавливаются на один или более достаточно мощных компьютеров-серверов, выделяемых исключительно для обслуживания сети и совместно используемых ресурсов. Все остальные ОС будут считаться локальными и могут использоваться на любом персональном компьютере, а также на отдельном компьютере, подключенном к сети в качестве рабочей станции или клиента.

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 позволяет осуществить:

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

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

Контроль работоспособности технических и программных средств;

Помощь пользователям и операторам при использовании ими технических и программных средств, обеспечения их работы;

Управление программами и данными в ходе вычислений;

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

Операционная система представляет собой комплекс системных и служебных про­граммных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспе­чение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода); с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений. Приложе­ниями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем - посредническая . Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

Интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами ком­пьютера (интерфейс пользователя);

Интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

Интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух кате­гориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения тех­нических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

Основные критерии подхода к выбору операционной системы:

В настоящее время имеется большое количество операционных систем, и перед пользователем стоит задача определить, какая операционная система лучше других (по тем или иным критериям). Очевидно, что идеальных систем не бывает, любая из них имеет свои достоинства и недостатки. Выбирая операционную систему, пользователь должен представлять, насколько та или иная ОС обеспечит ему решение его задач.

Чтобы выбрать ту или иную ОС, необходимо знать:

На каких аппаратных платформах и с какой скоростью работает ОС;

Какое периферийное аппаратное обеспечение ОС поддерживает;

Как полно удовлетворяет ОС потребности пользователя, то есть каковы функции системы;

Каков способ взаимодействия ОС с пользователем, то есть насколько нагляден, удобен, понятен и привычен пользователю интерфейс;

Существуют ли информативные подсказки, встроенные справочники и т. д.;

Какова надежность системы, то есть ее устойчивость к ошибкам пользователя, отказам оборудования и т. д.;

Какие возможности предоставляет ОС для организации сетей;

Обеспечивает ли ОС совместимость с другими операционными системами;

Какие инструментальные средства имеет ОС для разработки прикладных программ;

Осуществляется ли в ОС поддержка различных национальных языков;

Какие известные пакеты прикладных программ можно использовать при работе с данной системой;

Как осуществляется в ОС защита информации и самой системы.

Методы декомпозиции операционных систем (монолитная, модульная, микроядерная).

В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ.

Ядро - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Типы архитектур ядер операционных систем:

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса Unix, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие части функции ядра.

Достоинства: скорость работы, упрощенная разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.

Недостатки: поскольку все ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: традиционные ядра UNIX(такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS.

Модульное ядро

Модульное ядро - современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.

В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Достоинства: модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра, не поддерживающие динамическую загрузку модулей, так как от разработчика не требуется многократная полная перекомпиляция ядра при работе над какой-либо его подсистемой или драйвером. Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются.

Недостатки: в свою очередь, не любая программа может быть сделана модулем ядра: на модули ядра накладываются определенные ограничения в части используемых функций (например, они не могут пользоваться функциями стандартной библиотеки С/С++ и должны использовать специальные аналоги, являющиеся функциями API ядра).

Примеры: семейство ОС GNU/Linux.

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами.

Достоинства: устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы.

Недостатки: передача данных между процессами требует накладных расходов.

Примеры: Symbian OS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; Windows CE; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.

Интерфейс прикладного программирования (англ. Application Programming Interface, API [эй-пи-ай]; по-русски чаще произносят [апи́]) - набор готовых констант, структур и функций, используемых при программировании пользовательских приложений и обеспечивающих правильное взаимодействие между пользовательским приложением и операционной системой.

API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована. Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как черный ящик, то API - это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дергать.

Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию - высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов. По такому принципу построены протоколы передачи данных по Internet. Стандартный протокол Internet (сетевая модель OSI) содержит 7 уровней (от физического уровня передачи пакетов бит до уровня протоколов приложений, подобных протоколам HTTP и IMAP). Каждый уровень пользуется функциональностью предыдущего уровня передачи данных и, в свою очередь, предоставляет нужную функциональность следующему уровню.

Управление процессами

Понятие процесса играет ключевую роль и вводится применительно к каждой программе отдельного пользователя. Управление процессами (как целым, так и каждым в отдельности) - важнейшая функция ОС.

Процессом называют програм­му в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство - список адресов в памяти от некоторого ми­нимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содер­жит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, ука­затель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы.

Чтобы лучше разобраться в понятии процесса, проведем аналогию с системой, работающей в режиме разделения времени. Предположим, ОС решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый из­расходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора. Позже остановленный процесс должен быть запущен снова из того же со­стояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо сохранить. Так, процесс может иметь не­сколько одновременно открытых для чтения файлов. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию, т.е. номер байта или записи, которые будут прочитаны после повторного запуска про­цесса. При временном прекращении действия процесса все указате­ли нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих ОС вся информация о каждом процессе хранится в таблице операцион­ной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представ­ляет собой связанный список структур, по одной на каждый суще­ствующий в данный момент процесс.

Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользовате­лем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе про­цессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный мо­мент времени процессор занят только одной программой, но за се­кунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми програм­мами. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах, содержа­щих несколько процессоров, разделяющих общую память между со­бой. Производители операционных систем разработали концептуаль­ную модель последовательных процессов , упрощающую наблюдение за работой параллельно идущих процессов.

Рассмотрим содержание и применение этой модели.

В модели процесса все функционирующее на компьютере ПО организовано в виде набора последовательных процессов, или просто процессов. Процессом является выполняемая программа вместе с те­кущими значениями счетчика команд, регистров и переменных. С позиций этой абстрактной модели у каждого процесса есть соб­ственный центральный виртуальный процессор. На самом деле цен­тральный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно, чем представлять процессор, переключающийся от программы к программе. Это переключение и называется много­задачностью или мультипрограммированием.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС созда­ются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимо­действие с пользователем и выполняют заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми. Они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может обеспечивать вывод на печать, другой мо­жет обрабатывать запросы к web-страницам.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки систе­мы. Так текущий процесс может создать один или несколько новых процессов, при этом текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сфор­мировать как набор связанных, но независимо взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого коли­чества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в буфере, дру­гой - для считывания и обработки данных из буфера. Такая схема даже ускорит обработку данных, если каждый процесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.

Как правило, процессы завершаются по мере выполнения сво­ей работы. Так, после окончания компиляции программы компиля­тор выполняет системный запрос, чтобы сообщить ОС об оконча­нии работы. В текстовых редакторах, браузерах и других программах такого типа есть кнопка или пункт меню, с помощью которых мож­но завершить процесс.

Процесс является независимым объектом со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, однако существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого про­цесса.

Модель процессов упрощает представление о внутреннем пове­дении системы. Некоторые процессы запускают программы, выпол­няющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя.

Рассмотренный подход описывается моделью, представленной на рис. 7.2. Нижний уровень ОС - это планировщик - небольшая про­грамма. На верхних уровнях расположены процессы. Обработка пре­рываний и процедуры, связанные с остановкой и запуском про­цессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.

Процессы

Рис. 7.2. Нижний уровень ОС, отвечающий за прерывание и планирование

Процесс - выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ. Стандарт ISO 9000:2000 Definitions определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие. Компьютерная программа сама по себе это только пассивная совокупность инструкций, в то время как процесс - это непосредственное выполнение этих инструкций.

Часто процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и т.д.

Жизнь процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне (рис. 7.3.):

1) Процесс выполняется в режиме задачи.

2) Процесс выполняется в режиме ядра.

3) Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

4) Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

5) Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.

6) Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

7) Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс.

8) Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.

9) Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Для описания состояний процессов используется несколько моделей. Самая простая модель - это модель трех состояний . Модель состоит из:

1. состояния выполнения

2. состояния ожидания

3. состояния готовности

Рисунок 7.3. Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние

Реализация модели процессов базируется на таблице процессов с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содер­жит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, распре­делении памяти, состоянии открытых файлов, об указателе стека, использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска про­цесса, как если бы он не останавливался.

Файловые системы

При наличии большого числа программ и данных необходим строгий их учет и систематизация. Операционным системам приходится работать с различными потоками данных, разными аппаратными и периферийными устройствами компьютера. Организовать упорядоченное управление всеми этими объектами позволяет файловая система .

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе операционной системы UNIX. В ОС UNIX подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве. Таким образом, файловая система - это система управления данными.

Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учетом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Пользователь, работая в контексте определенного языка программирования, обычно использует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определенную структуру. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т.д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Файловая система - еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Как было установлено, основной функцией операционной системы является маскирование особенностей рабо­ты дисков и других устройств и предоставление пользователю понят­ной и удобной абстрактной модели независимых от устройств фай­лов. Системные вызовы необходимы для создания, удаления, чтения или записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно раз­местить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.

При создании места для хранения файлов ОС использует поня­тие каталога как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса, каталог для электронной почты и каталог для своей домаш­ней web-страницы. Для создания и удаления каталога также необ­ходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение су­ществующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталога могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру - файловую систему.

Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев (рис. 7.3). Иерархия процессов обычно не очень глубока, в ней ред­ко бывает больше трех уровней, тогда как файловая структура дос­таточно часто имеет четыре, пять и даже больше уровней в глубину.

Рис. 7.3. Дерево каталогов

Иерархия процессов обычно живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.

Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинает­ся из вершины структуры каталогов, называемой корневым катало­гом. Абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, кото­рые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов. Отдельные компоненты в ОС UNIX разде­ляются косой чертой /, а в MS-DOS и Windows - обратной косой чертой \.

Организация файловой системы

Файловая система характеризует способ хранения и поиска ин­формации на внешнем носителе - жестком диске.

Данные в ПК размещены по иерархическому принципу: на верхнем уровне - логический диск, на втором уровне - папки (ка­талоги), на третьем - файлы/папки. Логический диск - это логическая единица жесткого диска ПК. Разметка жесткого диска осуществляется специальной программой. Количество и размер логических дисков определяются пользовате­лем ПК. Традиционно дисководы для гибких дисков носят название А: и В:. Названия логических дисков винчестера начинаются с С:, D:, Е: и т. д. На диске С: обычно устанавливаются и хранятся систем­ные программы и файлы, а начиная с диска D: - размещается лич­ная информация пользователя.

Папки (каталоги, директории) - элементы файловой структуры, отвечающие за систематизацию информации в файловой системе. Состав папок, их название, их наличие определяются пользователем и его методами работы. С точки зрения файловой системы папка -это небольшой файл со списком содержимого данной папки.

Файл - это поименованная область на носителе информации (диске), содержащая данные. Имя файла определяется по опреде­ленным законам и состоит из 2-х частей: собственно имени и расши­рения (типа). Имя файла может содержать русские и латинские буквы, цифры и некоторые знаки (подчеркивание, пробел, дефис, #, $, ...), длина имени не более 255 символов. Некоторые знаки запрещены для ис­пользования в имени -*,?,/, \ и др., поскольку за ними закреплены в системе определенные функции. Расширение (тип) файла может отсутствовать, но его наличие очень полезно, поскольку позволяет пользователю узнать, какого типа информация находится в файле (.txt - текстовый файл, .doc - документ, . bmp - картинка и т.п.), а операционная система может определить, с помощью какого приложения (программы) можно этот файл прочитать.

Расширения.ехе, .com, .bat определяют исполняемые файлы, файлы, внутри которых находится информация, «понятная» ПК на внутреннем языке. Это расширения файлов-программ (приложений).

Для группировки файлов в группы с целью их поиска использу­ются шаблоны имен. В них могут использоваться определенные символы - символы шаблонов. К ним относятся:

* - обозначает любое количество любых символов;

Любой один символ.

Рассмотрим несколько примеров (шаблонов):

*.txt - все файлы с расширением txt;

А*.ехе - исполняемые файлы, начинающиеся на А;

K*.doc - файлы со второй буквой К в названии, сделанные в программе Word.

Небольшой файл (до 1 Кб), содер­жащий строку адреса файла, называет­ся ярлыком.

Путь (адрес) файла - это его место­положение в файловой системе. На­пример, для случая на рис. 7.4, путь к файлу file.txt будет таким:

D:\моя\задания\file.tхt

Рис. 7.4. Фрагмент файловой структуры

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный . Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Нарушение целостности служебных сведений приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. Поэтому к системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор . Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен, а для некоторых файловых систем - просто невозможен. В связи с этим группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован. Обычно он зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT16 . Она позволяет разместить в FAT -таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для жестких дисков, объем которых приближается к 2 Гбайт, потери, связанные с неэффективностью этой файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT16 вообще работать не может.

Начиная с Windows 98 операционные системы семейства Windows (Windows 98, Windows Me, Windows2000, WindowsXP) поддерживают более совершенную версию файловой системы на основе FAТ -таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows XP способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS . В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в главной таблице файлов (MFT). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. Однако сучетом типичных характеристик современных компьютеров можно говорить о том что в настоящее время эффективность FAT32 и NTFS примерно одинакова.

Обслуживание файловой структуры

Несмотря на то что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции , происходящие под управлением операционной системы:

Создание файлов и присвоение им имен;

Создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

Переименование файлов и каталогов (папок);

Копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

Удаление файлов и каталогов (папок);

Навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

Управление атрибутами файлов.

Сравнение файловых систем Microsoft Windows.

Под управлением MS Win2000 возможно использование файло­вых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Цифры в на­звании файловых систем - FAT16 и FAT32 - указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адреса­ция и, соответственно, возможно использование до 2 16 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2 28 .

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

Файловая система поддерживается ОС MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми ОС UNIX;

Существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;

При возникновении проблем с загрузкой с HDD система может быть загружена с системной дискеты;

Файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мб.

К недостаткам FAT16 можно отнести:

В FAT 16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжа­тие.

Среди преимуществ FAT32 важно отметить следующие:

Выделение дискового пространства выполняется более эффектив­но, особенно для дисков большого объема;

Корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска, благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число эле­ментов в корневом каталоге;

За счет использования кластеров меньшего размера занятое дис­ковое пространство на 10-15 % меньше, чем под FAT16.

FAT32 является более надежной файловой системой, в частно­сти, она поддерживает возможность перемещения корневого ка­талога и использование резервной копии FAT.

Основные недостатки FAT32:

Размер тома под Win2000 ограничен 32 Гб;

Тома недоступны из других ОС - только из Win95 OSR2 и Win98;

Не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

Не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие. При работе в Windows 2000 рекомендуется отформатировать все разделы HDD под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько ОС (кроме Windows 2000 и Windows NT).

Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:

Возможность восстановления. Эта возможность встроена в фай­ловую систему, NTFS и гарантирует сохранность данных за счет того, что используются протокол и некоторые алгоритмы восста­новления информации;

Все многообразие существующих (и ныне не использующихся) ОС можно классифицировать по множеству различных признаков. Остановимся на основных классификационных признаках.

По назначению ОС делятся на универсальные и специализированные. Специализированные ОС, как правило, работают с фиксированным набором программ (функциональных задач). Применение таких систем обусловлено невозможностью использования универсальной ОС по соображениям эффективности, надежности, защищенности и т.п., а также вследствие специфики решаемых задач .

Универсальные ОС рассчитаны на решение любых задач пользователей, но, как правило, форма эксплуатации вычислительной системы может предъявлять особые требования к ОС, т.е. к элементам ее специализации.

По способу загрузки можно выделить загружаемые ОС (большинство) и системы, постоянно находящиеся в памяти вычислительной системы. Последние, как правило, специализированные и используются для управления работой специализированных устройств (например, в БЦВМ баллистической ракеты или спутника, научных приборах, автоматических устройствах различного назначения и др.).

По особенностям алгоритмов управления ресурсами. Главным ресурсом системы является процессор, поэтому дадим классификацию по алгоритмам управления процессором, хотя можно, конечно, классифицировать ОС по алгоритмам управления памятью, устройствами ввода-вывода и.т.д.

Поддержка многозадачности (многопрограммности). По числу одновременно выполняемых задач ОС делятся на 2 класса: однопрограммные (однозадачные) – например, MS-DOS, MSX, и многопрограммные (многозадачные) – например, ОС ЕС ЭВМ, OS/360, OS/2, UNIX, Windows разных версий.

Однопрограммные ОС предоставляют пользователю виртуальную машину, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они также имеют средства управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС, кроме того, управляют разделением совместно используемых ресурсов (процессор, память, файлы и т.д.), это позволяет значительно повысить эффективность вычислительной системы.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся: на однопользовательские (MS-DOS, Windows 3х, ранние версии OS/2) и многопользовательские (UNIX, Windows NT/2000/2003/XP/Vista).

Главное отличие многопользовательских систем от однопользовательских – наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что может быть однопользовательская мультипрограммная система.

Виды многопрограммной работы. Специфику ОС во многом определяет способ распределения времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или потоками). По этому признаку можно выделить 2 группы алгоритмов: не вытесняющая многопрограммность (Windows3.x, NetWare) и вытесняющая многопрограммность (Windows 2000/2003/XP, OS/2, Unix).

В первом случае активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдает управление операционной системе. Во втором случае решение о переключении процессов принимает операционная система. Возможен и такой режим многопрограммности, когда ОС разделяет процессорное время между отдельными ветвями (потоками, волокнами) одного процесса.

Многопроцессорная обработка. Важное свойство ОС – отсутствие или наличие средств поддержки многопроцессорной обработки. По этому признаку можно выделить ОС без поддержки мультипроцессирования (Windows 3.x, Windows 95) и с поддержкой мультипроцессирования (Solaris, OS/2, UNIX, Windows NT/2000/2003/XP).

Многопроцессорные ОС классифицируются по способу организации вычислительного процесса на асимметричные ОС (выполняются на одном процессоре, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам) и симметричные ОС (децентрализованная система).

По области использования и форме эксплуатации. Обычно здесь выделяют три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

системы пакетной обработки (OS/360, OC EC);

системы разделения времени (UNIX, VMS);

системы реального времени (QNX, RT/11).

Первые предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Критерий создания таких ОС – максимальная пропуская способность при хорошей загрузке всех ресурсов компьютера. В таких системах пользователь отстранен от компьютера.

Системы разделения времени обеспечивают удобство и эффективность работы пользователя, который имеет терминал и может вести диалог со своей программой.

Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (станок, спутник, технологический процесс, например доменный и т.п.), где существует предельное время на выполнение программ, управляющих объектом.

По аппаратной платформе (типу вычислительной техники), для которой они предназначаются, операционные системы делят на следующие группы.

Операционные системы для смарт-карт. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например, электронным платежом. Некоторые смарт-карты являются JAVA-ориентированным и содержат интерпретатор виртуальной машины JAVA. Апплеты JAVA загружаются на карту и выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из таких карт могут одновременно управлять несколькими апплетами JAVA, что приводит к многозадачности и необходимости планирования.

Встроенные операционные системы. Управляют карманными компьютерами (lialm OS, Windows CE – Consumer Electronics – бытовая техника), мобильными телефонами, телевизорами, микроволновыми печами и т.п.

Операционные системы для персональных компьютеров, например, Windows 9.x, Windows ХР, Linux, Mac OSX и др.

Операционные системы мини-ЭВМ, например, RT-11 для PDP-11 – OC реального времени, RSX-11 M для PDP-11 – ОС разделения времени, UNIX для PDP-7.

Операционные системы мэйнфреймов (больших машин), например, OS/390, происходящая от OS/360 (IBM). Обычно ОС мэйнфреймов предполагает одновременно три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций (например, работа с БД, бронирование авиабилетов, процесс работы в банках) и разделение времени.

Серверные операционные системы, например, UNIX, Windows 2000, Linux. Область применения – ЛВС, региональные сети, Intranet, Internet.

Кластерные операционные системы. Кластер – слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений и представляющихся пользователю единой системной, например, Windows 2000 Cluster Server, Windows 2008 Server, Sun Cluster (базовая ОС – Solaris).

Знакомство с архитектурой UNIX начнем с рассмотрения таких неотъемлимых для неё характеристических понятий, как стандартизация и многозадачность:

Стандартизация

Несмотря на многообразие версий UNIX, основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов (в UNIX стандартизовано почти всё – от расположения системных папок и файлов, до интерфейса системных вызовов и списка драйверов базовых устройств). Опытный администратор без особого труда сможет обслуживать другую версию, тогда как для пользователей переход на другую систему и вовсе может оказаться незаметным. Для системных же программистов такого рода стандарты позволяют полностью сосредоточиться на программировании, не тратя время на изучение архитектуры и особенностей конкретной реализации системы.

Многозадачность

В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (задач), причем их число логически не ограничивается, и множество частей одной программы может одновременно находиться в системе. Благодаря специальному механизму управления памятью, каждый процесс развивается в своем защищенном адресном пространстве, что гарантирует безопасность и независимость от других процессов. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на наступление различных событий.

Два кита UNIX: файлы и процессы

Существует два основных объекта операционной системы UNIX, с которыми приходиться работать пользователю – файлы и процессы. Эти объекты сильно связаны друг с другом, и в целом организация работы с ними как раз и определяет архитектуру операционной системы.

Все данные пользователя храняться в файлах; доступ к периферийным устройствам осуществляется посредством чтения и записи специальных файлов; во время выполнения программы, операционная система считывает исполняемый код из файла в память и передает ему управление.

С другой стороны, вся функциональность операционная определяется выполнением соответствующих процессов. В частности, обращение к файлам на диске невозможно, если файловая подсистема операционной системы (совокупность процессов, осуществляющих доступ к файлам) не имеет необходимого для этого кода в памяти.

Беглый взгляд на архитектуру UNIX

Презентация 2-02: беглый взгляд на архитектуру UNIX

Самый общий взляд на архитектуру UNIX позволяет увидеть двухуровневую модель системы, состоящую из пользовательской и системной части (ядра) (см. Рисунок 1.20, «Архитектура операционной системы UNIX»). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы (процессы в пользовательской части операционной системы) от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам посредством системных вызовов. Таким образом, в системе можно выделить два уровня привилегий: уровень системы (привиегии специального пользователя root) и уровень пользователя (привилегии всех остальных пользователей). Подробнее об управлении доступом рассказывается в следующих главах (Глава 3, Безопасность операционной системы UNIX).

Рисунок 1.20. Архитектура операционной системы UNIX

Важной частью системных программ являются демоны. Демон – это процесс, выполняющий опеределенную функцию в системе, который запускается при старте системы и не связан ни с одним пользовательским терминалом. Демоны предоставляют пользователям определенные сервисы, примерами которых могут служить системный журнал, веб-сервер и т.п.. Аналогом демонов в операционной системе Windows NT и более поздних версиях являются системные службы.

Презентация 2-03: ядро UNIX

Операционная система UNIX обладает классическим монолитным ядром (см. «Архитектура операционной системы»), в котором можно выделить следующие основные части:

Файловая подсистема

Доступ к структурам ядра осуществляется через файловый интерфейс.

Управление процессами

Сюда входит управление параллельным выполнением процессов (планирование и диспетчеризация), виртуальной памятью процесса, и взаимодействием между процессами (сигналы, очереди сообщений и т.п.).

Драйверы устройств

Драйверы устройств делятся на символьные и блочные по типу внешнего устройства. Для каждого из устройств определен набор возможных операций (открытие, чтение и т.д.). Блочные устройства кэшируются с помощью специального внутреннего механизма управления буферами.

Рисунок 1.21. Ядро операционной системы UNIX

Благодаря тому, что в UNIX аппаратно-независимая часть явно отделена, это семейство операционных систем может быть с минимальными затратами перенесено на новые аппаратные платформы.

Видно, что ядро операционной системы UNIX является классическим для многозадачной многопользовательской операционной системы, поэтому оно широко используется в обучении системному программированию и теории операционных систем.

Билет.

1. 1. СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА:

2. 2. Определить количество информации, получаемое при реализации одного из событий, если бросают

а) несимметричную четырехгранную пирамидку;

б) симметричную и однородную четырехгранную пирамидку.

1.Микропроцессор -центральное обрабатывающее устройство, исполняющее машинные инструкции (код программ). Мат. плата - объединяет и координирует работу комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и всевозможные накопители. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Микропроцессорная память - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия, она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации. Интерфейсная сист. пк - Системная шина (FSB) – канал, по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера.К шине напрямую подключен только процессор, другие устройства компьютера подключены к ней через разнообразные контроллеры. Центральный процессор через Системную шину (FSB) подключается к системному контроллеру (Северный Мост илиNorth Bridge). Шина - в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. Северный мост - системный контроллер - обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер. Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Южный мост - периферийный контроллер - содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности.Оперативная память(ОЗУ) - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. Внешняя память – Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) информационной емкостью от 1 до десятков Гб, Накопители CD-ROM емкостью 640 Мб, Накопители DVD-ROM емкостью до 17 Гб.BIOS - реализованная в виде микропрограмм часть системного программного обеспечения, которая предназначается для предоставления операционной системе API доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам.

2. Формула Хартли

I = log 2 K ,
Где К - количество равновероятных событий; I - количество бит в сообщении.

K=2 I ,I = log 2 K = log 2 (1 / р) = - log 2 р, р = 1 / К, то К = 1 / р.

Будем бросать несимметричную четырехгранную пирамидку.
Вероятность отдельных событий будет такова:
р1 = 1 / 2,
р2 = 1 / 4,
р3 = 1 / 8,
р4 = 1 / 8,
тогда количество информации, получаемой после реализации одного из этих событий, рассчитывается по формуле:
I = -(1 / 2 log2 1/2 + 1 / 4 log2 1/4 + 1 / 8 log2 1/8 + 1 / 8 log2 1/8) = 1 / 2 + 2 / 4 + + 3 / 8 + 3 / 8 = 14/8 = 1,75 (бит).
б) Теперь рассчитаем количество информации, которое получится при бросании симметричной и однородной четырехгранной пирамидки:
I = log2 4 = 2 (бит).

Билет.

1. ЧТО ПОНИМАЕТСЯ ПОД ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ? РАЗНОВИДНОСТИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО.

1. Вероятность перового события составляет 0,5, а второго и третьего 0,25. Какое количество информации мы получим после реализации одного из них?

Операционная система - комплекс программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, организующий работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющий ввод и вывод данных.

В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

-однопользовательские однозадачные , которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

-однопользовательские однозадачные с фоновой печатью , которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

-однопользовательские многозадачные , которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

-многопользовательские многозадачные , позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти ОС очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

ПО - Совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ. Программное обеспечение принято по назначению подразделять на системное, прикладное и инструментальное, а по способу распространения и использования на несвободное (закрытое), открытое и свободное.

Базовое ПО включает в себя: операционные системы; оболочки; сетевые операционные системы.

Сервисное ПО включает в себя программы (утилиты): диагностики; антивирусные; обслуживания носителей; архивирования; обслуживания сети.

Прикладное ПО – это комплекс программ для решения задач определённого класса конкретной предметной области. Прикладное ПО работает только при наличии системного ПО.

Прикладные программы называют приложениями. Они включает в себя:

текстовые процессоры; табличные процессоры; базы данных; интегрированные пакеты; системы иллюстративной и деловой графики (графические процессоры); экспертные системы; обучающие программы; программы математических расчетов, моделирования и анализа; игры; коммуникационные программы.
Промежуточное место занимает особый класс программ -инструментальные ПО, или средства разработки приложений .

Инструментальное программное обеспечение состоит из:

Систем программирования,

Средств разработки и отладки программ.

Системы программирования - это комплекс программ, который облегчает работу программиста.

2. Формула Хартли

I = log 2 K, К = 1 / р (р-вероятность)
K = 1/0,5,I=1 бит

K=1/0,25,I = 2 бит

Билет

1. ОДНОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ ОС. КЛАССИФИКАЦИЯ МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ ОС.

2. Сколько различных чисел можно закодировать с помощью 8 бит?

Классификация операционных систем

Однопроцессорные;

Многопроцессорные.

До недавнего времени вычислительные системы имели один центральный процессор. В результате требований к повышению производительности появились многопроцессорные системы, состоящие из двух и более процессоров общего назначения, осуществляющих параллельное выполнение команд. Данный способ увеличения мощности компьютеров заключается в соединении нескольких центральных процессоров в одной системе. В зависимости от вида соединения процессоров и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Для них требуются специальные операционные системы, но часто они представляют собой варианты серверных операционных систем со специальными возможностями связи.

Поддержка мультипроцессирования является важным свойством операционных систем и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная обработка реализована в операционных системах: Linux, Solaris, Windows NT и др. Многопроцессорные операционные системы подразделяются:

– на симметричные – на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, т. е. обработка полностью децентрализована, при этом каждому из процессоров доступна вся память;

– асимметричные – системы, в которых процессоры неравноправны, обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

2. I=8 бит, K=2 I =2 8 =256 различных чисел.

Билет

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОС ПО ТИПУ АППАРАТУРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ МНОГОЗАДАЧНЫХ ОС

2. В коробке 32 карандаша, все карандаши разного цвета. Наугад вытащили красный. Какое количество информации при этом было получено?

1. По типу аппаратуры различают ОС персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и компьютерных сетей. Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют ОС, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные или многоплатформенные ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающим перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на Си, который и был разработан для программирования операционных систем.

Многозадачные операционные системы – системы, которые поддерживают параллельное выполнение нескольких программ в рамках одной вычислительной системы в один момент времени, например: UNIX, OS/2, Windows.

Многозадачная операционная система, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограмный режим . Многозадачный режим, который воплощает в себе идею разделения времени, называется вытесняющим (preemptive ). Каждой программе выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другой программе. В таком режиме работают пользовательские программы большинства коммерческих операционных систем. В некоторых операционных системах (Windows 3.11 ) пользовательская программа может монополизировать процессор, т. е. работает вневытесняющем режиме . Как правило, в большинстве систем код операционной системы не подлежит вытеснению, ответственные программы, в частности задачи реального времени, также не вытесняются.

К многозадачным относятся операционные системы:

– пакетной обработки

– разделения времени

– реального времени

2. Так как вытаскивание карандаша любого цвета из имеющихся в коробке 32 карандашей является равновероятным, то число возможных событий равно 32.

N = 32, i = ? N = 2 i , 32 = 25, i = 5 бит.

Билет

1. ПОНЯТИЕ СЕТЕВОЙ ОС, ВАРИАНТЫ ИХ ПОСТРОЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ МНОГОЗАДАЧНЫХ ОС

1. В коробке 50 шаров, из них 40 белых и 10 чёрных. Определить количество информации в сообщении о вытаскивании наугад белого шара и чёрного шара

1.Сетевая операционная система - операционная система со встроенными возможностями для работы в компьютерных сетях.

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.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.

Примеры сетевых операционных систем:

Novell NetWare, LANtastic, Microsoft Windows (NT, XP, Vista, Seven), Различные UNIX системы, такие как Solaris, FreeBSD и др.

К многозадачным относятся операционные системы:

– пакетной обработки – из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

– разделения времени – системы, которые обеспечивают одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;

– реального времени – системы, которые обеспечивают определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя при управлении им внешними событиями, процессами или объектами по отношению к ЭВМ.

2. Вероятность вытаскивания белого шара
P1 = 40/50 = 0,8
Вероятность вытаскивания чёрного шара
P2 = 10/50 = 0,2
Количество информации о вытаскивании белого шара I1 = log2(1/0,8) = log21,25 = log1,25/log2 = 0,32 бит
Количество информации о вытаскивании чёрного шара I2 = log2(1/0,2) = log25 = log5/log2 = 2,32 бит
Ответ: 0,32 бит, 2,32 бит

Билет

1. ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА. ТИПЫ ФАЙЛОВ, АТРИБУТЫ ФАЙЛОВ

2. . В озере живут караси и окуни. Подсчитано, что карасей 1500, а окуней - 500. Сколько информации содержится в сообщениях о том, что рыбак поймал карася, окуня, поймал рыбу?

1. Файловая система - порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п. Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

В различных операционных и/или файловых системах могут быть реализованы различные типы файлов ; кроме того, реализация различных типов может различаться.

«Обыкновенный файл» - файл, позволяющий операции чтения, записи, перемещения внутри файла

Каталог или директория - файл, содержащий записи о входящих в него файлах. Каталоги могут содержать записи о других каталогах, образуя древовидную структуру.

Жёсткая ссылка - в общем случае, одна и та же область информации может иметь несколько имён. Такие имена называют жёсткими ссылками. После создания хардлинка сказать где «настоящий» файл, а где хардлинк невозможно, так как имена равноправны. Сама область данных существует до тех пор, пока существует хотя бы одно из имён. Хардлинки возможны только на одном физическом носителе.

Атрибуты. В некоторых файловых системах, таких как NTFS, предусмотрены атрибуты (обычно это бинарное значение «да»/«нет», кодируемое одним битом). Во многих современных операционных системах атрибуты практически не влияют на возможность доступа к файлам, для этого в некоторых операционных и файловых системах существуют права доступа.

READ ONLY- только для чтения, в файл запрещено писать, опер. сист - DOS, OS/2, Windows

SYSTEM – системный, критический для работы операционной системы файл, опер. сист. - DOS, OS/2, Windows

HIDDEN- скрытый, файл скрывается от показа, пока явно не указано обратное, опер.сист - DOS, OS/2, Windows

ARCHIVE- архивный (требующий архивации), файл изменён после резервного копирования или не был скопирован программами резервного копирования, опер. сист.- DOS, OS/2, Windows

SUID - Установка пользовательского ID, выполнение программы от имени владельца, опер.сист.- Unix-like

SGID- Установка группового ID, выполнение программы от имени группы (для каталогов: любой файл созданный в каталоге с установленным SGID, получит заданную группу-владельца), опер.сист.- Unix-like

Sticky Bit - липкий бит, изначально предписывал ядру не выгружать завершившуюся программу из памяти сразу, а лишь спустя некоторое время, чтобы избежать постоянной загрузки с диска наиболее часто используемых программ, в настоящее время в разных ОС используется по разному, опер. сист- Unix-like

2. События поимки карася или окуня не являются равновероятными, так как окуней в озере меньше, чем карасей.
Общее количество карасей и окуней в пруду 1500 + 500 = 2000.
Вероятность попадания на удочку карася
p1 = 1500/2000 = 0,75, окуня p2 – 500/2000 = 0,25.
I1 = log2(1/p1), I1 = log2(1/p2), где I1 и I2 – вероятности поймать карася и окуня соответственно.
I1 = log2(1 / 0,75) = 0,43 бит, I2 = log2(1 / 0,25) = 2 бит – количество информации в сообщении поймать карася и поймать окуня соответственно.
Количество информации в сообщении поймать рыбу (карася или окуня) рассчитывается по формуле Шеннона
I = - p1log2p1 - p2log2p2
I = - 0,75*log20,75 - 0,25*log20,25 = - 0,75*(log0,75/log2)-0,25*(log0,25/log2) =
= 0,604 бит = 0.6 бит.

Билет.

1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ. ИЗМЕРЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

2. Какое количество информации несет в себе сообщение о том, что нужная вам программа находится на одной из восьми дискет?

1. Информация – это знания или сведения о ком-либо или о чем-либо.

Информация – это сведения, которые можно собирать, хранить, передавать, обрабатывать, использовать.

Каждому символу в компьютере соответствует последовательность

из 8 нулей и единиц, называемая байтом:

1 байт = 8 битам

Количество информации при вероятностном подходе можно вычислить, пользуясь следующими формулами:

1). Формула Хартли.

I = log 2 N или 2 I = N,

где N - количество равновероятных событий (число возможных выборов),

I - количество информации.

2). Модифицированная формула Хартли.

и формула имеет вид

I = log 2 (1/p) = - log 2 p

где p- вероятность наступления каждого из N возможных равновероятных событий.

3). Формула Шеннона.

H = S p i h i = - S p i log 2 p i

где pi - вероятность появления в сообщении i-го символа алфавита;

hi = log 2 1/p i = - log 2 p i - количество собственной информации, переносимой одним символом;

Н - среднее значением количества информации.

2. Количество информации вычисляется по формуле: 2i = N, где i - искомая величина, N - количество событий. Следовательно, 23 =8.