Понятие ОС. Функции и классификация Курс «Операционные системы» Бабич А.В. © 2005 Лекция 1:

План лекции Что такое операционная система (ОС) –Структура вычислительной системы –Что же такое ОС? Эволюция вычислительных систем Основные понятия и концепции ОС Архитектура ОС –Монолитное ядро –Слоеные системы (Layered systems) –Виртуальные машины –Микроядерная архитектура –Смешанные системы –Структура ОС Классификация ОС –Семейства ОС Выводы

Что такое операционная система

Структура вычислительной системы ЭВМ = hardware + software Hardware: –Процессор –Память –Дисковые устройства –… Software (программное обеспечение, ПО): –Прикладное –Системное Объединенные шиной - Инструментальные системы?

Структура вычислительной системы- ІІ Деление на прикладное и системное ПО во многом условно: –Microsoft Word Для пользователя – системная программа, для программиста – приложение –С++ компилятор Для прикладного программиста – системная программа, для системного – прикладная Таким образом, вычислительную систему можно представить в виде последовательности слоев

Структура вычислительной системы- слои

Что же такое ОС? Основные точки зрения: –ОС, как виртуальная машина С помощью простых и ясных абстракций от программиста скрываются физические подробности работы компьютера –ОС, как менеджер ресурсов Осуществляет упорядоченное и контролируемое распределение процессорного времени, памяти и др. между программами –ОС, как защитник пользователей и программ Обеспечивает сохранность данных каждого пользователя и изолирует их выполняющиеся приложения друг от друга

Что же такое ОС? - ІІ Основные точки зрения: –ОС, как постоянно функционирующее ядро Постоянно работающая на компьютере программа (или ее часть – ядро), взаимодействующая со всеми прикладными программами Не существует точного адекватного определения, что такое ОС. Проще сказать, для чего нужна ОС и что делает.

Что же такое ОС? - определение Впрочем, можно довольствоваться таким определением: –ОС – это программа, загружающаяся при включении компьютера, управляющая всеми его ресурсами, реализующая диалог с пользователем, запускающая и выполняющая другие программы –Таким образом, ОС реализует такие интерфейсы: Аппаратно-программный Программно-программный Интерфейс пользователя

Эволюция вычислительных систем

История эволюции ВТ Hardware и software эволюционируют совместно, влияя друг на друга Критерии естественного отбора в эволюции вычислительных систем: –Удобство –Эффективность –Безопасность История эволюции ВТ насчитывает четыре периода

История эволюции ВТ – 1-й период 1-й период ( ): Ламповые машины. ОС отсутствуют –Июнь 1945 – принципы Джона фон Неймана –Программирование только на машинном языке –Перфокарты или панели переключателей –Организация вычислительного процесса выполнялась программистом с пульта управления –За пультом – только один человек –Одновременно выполняется только одна операция –1-е системное ПО: гг. – прообразы компиляторов, например, с Fortran 1954 г. – ассемблер для IBM-701 (Нэт Рочестер)

История эволюции ВТ – 2-й период 2-й период (1955-нач. 60-х): Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные ОС –Новая элементная база – транзисторы: Повышение надежности ВТ Снижение энергопотребления Упрощение систем охлаждения Уменьшение размеров компьютеров Снижение стоимости их эксплуатации и обслуживания –Компьютеризация бизнеса –Бурное развитие алгоритмических языков (Algol-58, Lisp, Cobol, Algol-60, PL-1,…), настоящие инструментальные системы –Разделение персонала на программистов и операторов –Задания (программа, входные данные, требуемые ресурсы),пакеты заданий –Вычислительным процессом управляют системы пакетной обработки, имеющие формализованный язык управления заданиями

История эволюции ВТ – 3-й период 3-й период (нач. 60-х-1980): Компьютеры на основе ИМС. Первые многозадачные ОС –Переход от транзисторов к интегральным микросхемам (ИМС): ВТ становится надежной и дешевой Решаются многочисленные и сложные задачи Растет производительность процессоров –«Бутылочное горлышко» - низкая скорость устройств ввода-вывода буферизация Режим off-line – операции ввода-вывода выполняются на отдельно стоящих компьютерах On-line – spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) – на том же компьютере, который производит вычисления –прерывания

История эволюции ВТ – 3-й период ІІ –Магнитные диски сменили магнитную ленту Планирование заданий –Мультипрограммирование Пока одна программа выполняет операцию ввода- вывода, процессор выполняет другую программу Аналогия: преподаватель и студенты на экзамене Аппаратная поддержка: –Защитные механизмы »Привилегированные и непривилегированные команды –Прерывания »Внешние – произошло асинхронное событие »Внутренние (исключительные ситуации) – ошибки, нарушения защиты,…

История эволюции ВТ – 3-й период ІІІ Мультипрограммирование привело к изменению ОС: –Системные вызовы, как интерфейс между ОС и прикладными программами –Планирование заданий –Необходимость сохранения контекста (содержимого регистров и структур данных) при переключении задач –Стратегии управления памятью –Средства коммуникации и синхронизации между программами Все же пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием

История эволюции ВТ – 3-й период ІV Появились дисплеи на основе ЭЛТ и полноценные клавиатуры Мультипрограммирование time-sharing -системы, или системы разделения времени –Процессор переключается между задачами не только во время операций ввода-вывода, но и просто через определенные промежутки времени –Многопользовательский режим –Механизм виртуальной памяти –Развитые файловые системы Семейства программно-совместимых машин –IBM/360 (OS/ известных ошибок) –PDP (PDP-11)

История эволюции ВТ – 4-й период 4-й период (1980-наше время): Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы –Появление БИС Возрастание степени интеграции Очередное удешевление –Персональные компьютеры (ПК) Деградация ОС: один пользователь в однозадачном режиме «Дружественный», интуитивно понятный интерфейс Возрождение ОС –Автономные (классические) ОС –Сетевые ОС (сер. 80-х) –Распределенные ОС ПК стал своего рода бытовым прибором

История эволюции ВТ – выводы Пять основных функций классических ОС: –Планирование заданий –Средства коммуникации и синхронизации программ –Управление памятью –Файловая система –Управление вводом-выводом –Обеспечение безопасности Реальная эволюция проходила не так плавно и равномерно Это - не единственно возможный путь развития ОС! ОС существуют потому, что на данный момент это разумный способ использования ВТ

Основные понятия и концепции ОС

Системные вызовы System calls – интерфейс между ОС и прикладной программой (сервис) –Создают, используют и удаляют различные объекты: Процессы Файлы … –Переход задачи в привилегированный режим (kernel mode) –Осуществляется командой программного прерывания (INT) – синхронное событие (связано с выполняемым процессором кодом)

Прерывания Hardware interrupt – событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством –Например, пользователь нажал клавишу –Завершилась асинхронная операция ввода-вывода –Прерывания таймера Планирование процессов –Асинхронное событие – возникает независимо от того, какой код выполняется процессором в данный момент

Исключительные ситуации Exception – возникает в результате выполнения программой недопустимой операции, доступа к ресурсу при отсутствии необходимых привилегий, или обращения к отсутствующей странице памяти – синхронные события, возникающие в контексте текущей задачи (как и системные вызовы) Исправимые (нет нужных данных в памяти) Неисправимые (ошибка в программе) завершение программы

Файлы Файл (file) – часть пространства на носителе информации, имеющая имя Файловая система (file system) – скрывает особенности ввода-вывода и дает программисту простую абстрактную модель файлов, независимую от устройств –Системные вызовы для работы с файлами –Понятия каталога, пути,…

Процессы и нити Процесс – наиболее фундаментальная концепция в ОС Нити (потоки, threads) Подробнее – в дальнейших лекциях

Архитектура ОС

Монолитное ядро Monolithic kernel – компоненты ОС – не отдельные модули, а части одной большой программы –Сборка (компиляция) ядра выполняется отдельно для каждого компьютера Добавление новых компонентов и исключение неиспользуемых Экономия памяти Повышение надежности –Быстродействие –Старейший способ организации ОС (UNIX) –Все равно можно выделить некоторую структуру

Монолитное ядро - пример

Слоеные системы Layered system – вычислительная система разбивается на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями –Каждый слой может вызывать объекты только из нижнего ближайшего к нему слоя –Система THE (Technishe Hogeschool Eindhoven), Дейкстра и его студенты, 1968 г. –Слоеные системы: Хорошо реализуются Хорошо тестируются Хорошо модифицируются Тяжелы в разработке (определение слоев) Менее эффективны, чем монолитные (при вводе-выводе надо пройти все слои )

Слоеные системы - пример Структура ОС THE:

Виртуальные машины Виртуальная машина для каждого пользователя – абсолютно «голая» копия всего hardware –Каждый может запустить свою собственную ОС –CP/CMS, или VM/370 (для семейства IBM/370) –Виртуальные машины менее эффективны, чем реальная –Громоздкость –Но! Можно использовать на одной машине программы, написанные для разных ОС

Виртуальные машины - пример Вариант виртуальной машины:

Микроядерная архитектура Microkernel architecture – большинство составляющих ОС являются самостоятельными программами –Микроядро обеспечивает взаимодействие между ними через передачу сообщений –Работает в привилегированном режиме Взаимодействие между программами Планирование использования процессора Первичная обработка прерываний Операции ввода-вывода Базовое управление памятью –Высокая степень модульности Упрощается добавление новых компонент Упрощается отладка –Снижение производительности из-за передачи сообщений Следует аккуратно проектировать, чтобы минимизировать взаимодействие компонентов

Микроядерная архитектура - пример

Смешанные системы Большинство современных ОС комбинируют вышеперечисленные варианты архитектуры –Linux – монолитная система с элементами микроядерной архитектуры Модули ядра –Запуск ОС с монолитным ядром под управлением микроядра – 4.4 BSD, MkLinux (микроядро Mach) –Windows NT – тесное сплетение элементов микроядерной архитектуры и монолитного ядра Сложное и большое ядро (более 1 Мб) Передача сообщений между компонентами ОС Но! Одно адресное пространство и общие структуры данных (как в монолитных ОС) Режим ядра и режим пользователя (как в монолитных ОС) Windows NT – гибридная ОС

Структура ОС Даже в монолитных ОС можно выделить структуру MS-DOS: –BIOS – базовая система ввода-вывода. Встроена в ПЗУ машины. Выполняет наиболее простые и универсальные услуги ОС по вводу- выводу (Windows NT не использует BIOS) –Загрузчик – в 1-м секторе нулевой дорожки системного диска (для HDD это не так). Считывает в память еще два модуля ОС –Резидентная часть – файлы IO.SYS и MSDOS.SYS – остаются в памяти постоянно. IO.SYS – дополнение к BIOS, MSDOS.SYS – реализует основные высокоуровневые услуги ОС –Командный процессор (интерпретатор) – файл COMMAND.COM). Обрабатывает команды, вводимые пользователем –Команды Внутренние – их командный процессор выполняет сам Внешние – поставляются с ОС в виде отдельных программ –Драйверы устройств – расширяют возможности ОС по управлению устройствами, позволяют подключить новые устройства или нестандартным образом использовать имеющиеся –+ оболочки (DOS Navigator, Norton Commander,…) и операционные оболочки (Windows, SEAL, Polit,…)

Классификация ОС

Существует несколько схем классификации Будем классифицировать с точки зрения пользователя по нескольким критериям

Реализация многозадачности Многозадачные –UNIX –OS/2 –Windows NT мультипрограммирование Однозадачные –MS-DOS Отсутствуют защитные механизмы и коммуникационные возможности (между программами)

Поддержка многопользовательского режима Однопользовательские –MS-DOS –DOS + Windows 3. x Многопользовательские –Windows NT –UNIX Механизмы защиты персональных данных каждого пользователя

Многопроцессорная обработка Два или более процессоров, параллельно выполняющих команды –Усложнение всех алгоритмов управления ресурсами –Linux, Solaris, Windows NT –Многопроцессорные ОС: Симметричные –Обработка полностью децентрализована Асимметричные –Процессоры неравноправны »Master »Slave

Системы реального времени Многозадачные системы –Пакетные системы –Системы разделения времени –Системы реального времени Предназначены в первую очередь для управления техническими объектами (АЭС) и технологическими процессами –Характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие Нет виртуальной памяти –QNX

Графический интерфейс пользователя Неграфические ОС –Интерфейс командной строки (клавиатура) –MS-DOS – использовалась более 15 лет! –Оболочки –Операционные оболочки Многозадачность Расширенные средства обмена данными между программами Графический интерфейс пользователя Графические ОС –Графический интерфейс пользователя (манипулятор) –Windows9x –Windows NT –Linux (на самом деле это и не совсем так)

Семейства ОС CP/M –Примитивная операционная среда MS-DOS, PC-DOS, DR-DOS, PTS-DOS –Иерархическая файловая система –Большое число внешних команд OS/2 –Графический интерфейс пользователя Windows9x –Псевдомногозадачные ОС –32-х разрядные, но с сохранением 16-ти разрядной подсистемы Windows NT, 2k, XP, 2003 Server, Longhorn –Многопользовательские –Истинно многозадачные –Полностью 32-х разрядные UNIX, XENIX, Linux –Многопользовательские –Истинно многозадачные –Полностью 32-х разрядные –сверхзащищенные QNX, WebOS, BeOS –Нестандартные ОС –ОС реального времени –…

Выводы

ОС обеспечивает интерфейсы (связь) между пользователем, программами и аппаратурой Вычислительные системы прошли в своей эволюции четыре этапа ОС оперируют такими понятиями и концепциями, как –Системные вызовы –Прерывания –Исключения –Файлы –Процессы и нити ОС может быть построена на основе: –Монолитного ядра –Слоеной архитектуры –Виртуальных машин –Микроядерной архитектуры –Смешанной архитектуры Существует несколько классификаций ОС

Вопросы? Возникли ли у Вас какие- нибудь вопросы после прослушивания этой лекции?

Контрольные вопросы Из каких слоев состоит вычислительная система? Какие виды ПО Вы знаете? Каковы основные точки зрения на то, что такое ОС? Какие этапы (и сколько) прошли вычислительные системы своей эволюции? Перечислите основные концепции и понятия ОС? Какие архитектуры ОС Вы знаете? По каким критериям можно классифицировать ОС? Какие семейства ОС Вы знаете?

Использованные материалы В.Е. Карпов, К.А. Коньков. Курс «Введение в операционные системы» // Общая редакция член-корр. РАН В.П. Иванников. Курс создан при поддержке корпорации Intel. © г. Симонович С.В., Евсеев Г.А., Алексеев А.Г. Общая информатика: учебное пособие для средней школы. – М.: АСТ-ПРЕСС, Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд. 5-е, исправл. и доп. – М.: Финансы и статистика, НПО «Информатика и компьютеры», 1994.