Введение в операционные системы

Краткие сведения об архитектуре компьютера Рис. 1.1 Основные компоненты современного компьютера

Процессор Процессор осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функцию обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (central processing unit - CPU).

Регистры данных Используются для хранения данных, (некоторые регистры предназначены для операций над числами с плавающей точкой, а остальные для хранения целых чисел.) Регистры доступные пользователю.

Адресные регистры. Индексный регистр Сегментный регистр Регистр стека. Регистры доступные пользователю.

Регистры управления и регистры состояния Используются для контроля над работой системы. Программный счетчик (program counter - PC Регистр команд (instruction register - IR). Регистр адреса памяти (MAR). Регистр буфера памяти (MBR). Регистр адреса ввода-вывода (I/O AR). Регистр буфера ввода-вывода (.I/O BR)

Память. Чем меньше время доступа, тем дороже каждый бит. Чем выше емкость, тем ниже стоимость бита. Чем выше емкость, тем больше время доступа.

Иерархия памяти

Устройство жесткого диска.

Устройства ввода-вывода Устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей: контроллера и самого устройства. Контроллер это микросхема или набор микросхем на вставляемой в разъем плате, физически управляющая устройством. Устройства имеют достаточно простые интерфейсы, во-первых, потому что их возможности весьма невелики и, во-вторых, потому что нужно привести их к единому стандарту.

Ввод и вывод данных на устройствах Первый метод - называется ожиданием готовности или активным ожиданием: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу. Второй способ – при помощи прерываний. Третий способ – при использовании специального контроллера прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access)

Что такое операционная система. Удобство. Операционная система делает использование компьютера простым и удобным Эффективность. Операционная система позволяет эффективно использовать ресурсы компьютерной системы. Возможность развития. Операционная система должна быть организована так, чтобы она допускала эффективную разработку, тестирование и внедрение новых приложений и системных функций. Защита. Операционная система должна обеспечивать безопасную работу пользователей и их программ.

Операционная система как интерфейс между пользователем и компьютером. Разработка программ. Операционная система предоставляет разнообразные инструменты и сервисы. Исполнение программ. Операционная система выполняет выполнить ряд действий для запуска программы вместо пользователя. Доступ к устройствам ввода-вывода. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который обеспечивает доступ к устройству ввода-вывода с помощью простых команд.

Операционная система как менеджер ресурсов планирование ресурса какому процессу, когда и в каком количестве следует выделить данный ресурс; удовлетворение запросов на ресурсы; отслеживание состояния и учет использования ресурса разрешение конфликтов между процессами. разрешение конфликтов между процессами.

Возможность развития операционной системы. Обновление и возникновение новых видов аппаратного обеспечения. Новые сервисы. Исправления

Операционная система как защитник пользователей и программ Контролируемый доступ к файлам. Операционная система должна обеспечить работу механизма защиты при обращении к файлам. Системный доступ. Операционная система управляет доступом к совместно используемой или общедоступной вычислительной системы в целом. Должна обеспечивать защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, а также разрешать конфликты. Обнаружение ошибок и их обработка. В случае возникновения различных ошибок операционная система должна минимизировать влияние ошибки на работу приложения.

Эволюция развития операционных систем. Первый период (1945–1955 гг.). Ламповые машины. Операционных систем нет

Второй период (1955 г.–начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы Эволюция развития операционных систем. Ранняя система пакетной обработки: программист приносит карты для IBM 1401 (а); IBM 1401 записывает пакет заданий немагнитную ленту (б); оператор приносит входные данные на ленте к IBM 7094 (в); IBM 7094 выполняет вычисления (г); оператор переносит ленту с выходными данными на IBM 1401 (д); IBM 1401 печатает выходные данные (е)

Третий период (начало 60-х – 1980 г.). Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные операционная система Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Повышается производительность процессоров. Введение техники подкачки-откачки Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий Появление мультипрограммирования Эволюция развития операционных систем.

Особенности мультипрограммирования Реализация защитных механизмов. Программы не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных команд. Наличие прерываний. Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие, например завершилась операция ввода- вывода. Развитие параллелизма в архитектуре. Прямой доступ к памяти и организация каналов ввода- вывода позволили освободить центральный процессор от рутинных операций. Эволюция развития операционных систем.

Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время). Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы Появление больших интегральных схем (БИС). рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем. В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров Эволюция развития операционных систем.

Особенности современного этапа развития операционных систем В 90-е годы практически все операционные системы стали сетевыми Во второй половине 90-х годов все производители операционных систем резко усилили поддержку средств работы с Интернетом Особое внимание в течение всего последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым операционным системам. На передний план вышли средства обеспечения безопасности. Современным операционным системам присуща многоплатформенность В последние годы получила дальнейшее развитие долговременная тенденция повышения удобства работы человека с компьютером

Требования к современным операционным системам Расширяемость. операционные системы изменяются со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Переносимость. код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностъю. Совместимость. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС. Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу. Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Она должна иметь в своем составе средства аутентификации, авторизации, аудита. Производительность. Операционная система должна обладать хорошим быстродействием и временем реакции.

Структура современной операционной системы

Классификация операционных систем Особенности алгоритмов управления ресурсами Поддержка многозадачности. Поддержка многопользовательского режима. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Поддержка многопоточности. Многопроцессорная обработка.

Особенности аппаратных платформ Операционные системы мэйнфреймов Серверные операционные системы Многопроцессорные операционные системы Операционные системы для персональных компьютеров Операционные системы реального времени Встроенные операционные системы Операционные системы для смарт-карт Классификация операционных систем

Особенности областей использования системы пакетной обработки (например, OC EC), системы разделения времени (UNIX, VMS), системы реального времени (QNX, RT/11). Классификация операционных систем

Типы архитектур ядер операционных систем Монолитное ядро Монолитное ядро классическая и наиболее распространённая архитектура ядер операционных систем. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. монолитное ядро это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой. Достоинства: скорость работы, упрощённая разработка модулей. Недостатки: поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы. Примеры: традиционные ядра UNIX, такие как BSD, Linux.

Модульное ядро Модульное ядро современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров. Все модули ядра работают в адресном пространстве ядра и могут пользоваться всеми функциями, предоставляемыми ядром. Поэтому модульные ядра продолжают оставаться монолитными. Модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра. Облегчаются выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании. Типы архитектур ядер операционных систем

Микроядро Микроядро это минимальная реализация функций ядра операционной системы компьютера. Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы. Сюда относятся: управление адресным пространством оперативной памяти. управление адресным пространством виртуальной памяти управление процессами и потоками средства межпроцессной коммуникации. Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов. Примеры операционных систем на основе микроядра: QNX, GNU/Hurd, Minix3. Типы архитектур ядер операционных систем

Экзоядро Экзоядро ядро операционной системы компьютеров, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов. Типы архитектур ядер операционных систем Операционная система на экзоядре.

Наноядро Наноядро архитектура ядра операционной системы компьютеров, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Типы архитектур ядер операционных систем

Гибридное ядро Гибридное ядро (англ. Hybrid kernel) модифицированные микроядра позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Графическое представление гибридного ядра Имеют «гибридные» достоинства и недостатки. Типы архитектур ядер операционных систем