Операционные системы

Операционная система (ОС) в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

ОС как расширенная машинас этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

ОС как система управления ресурсамис этой точки зрения ОС представляет собой механизм, управляющий всеми частями сложной вычислительной системы (ВС). В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

• планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

• отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс.

Операционные системы классифицируются по большому количеству признаков, ниже приведены наиболее существенные из них.

Особенности алгоритмов управления ресурсами

Основными ресурсами ВС являются процессоры, память, ВУ ниже приведена классификация в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором:

1) по числу одновременно выполняемых задач ОС делятся на:

• однозадачные – основная функция «предоставления пользователю виртуальной машины», вторая функция мало выражена (например, MS-DOS, MSX)

• многозадачные – кроме предоставления виртуальной машины управляют разделением совместно используемых ресурсов (OCEC,OS/2,UNIX,Windows95,WindowsNT).

2) по числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

• однопользовательские (MS-DOS, ранние версии OS/2);

• многопользовательские (UNIX, Windows NT) главным отличием 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.

3) по виду многозадачности ОС делятся на:

• невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x) – активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление ОС для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс;

• вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX) вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается ОС, а не самим активным процессом.

4) поддержка многонитевости – возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

5) по виду многопроцессорной обработки ОС делятся на (если такая возможна) (Solaris 2.x фирмы Sun, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell):

• асимметричные – ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам.

• симметричная – ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы ПК, 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.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют ОС легко переносимые с одного типа ЭВМ на другой –это так называемые мобильныеОС (наиболее ярким примером такой ОС является UNIX). В таких ОС аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.

Особенности областей использования

В соответствии с этим критерием ОС разделяются на:

• системы пакетной обработки (например, OC EC), предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Критерием эффективности такой системы является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач, предъявляющих отличающиеся требования к ресурсам, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка ресурсов. Т. о., выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. Основным недостатком такой системы является изолированность от пользователя.

• системы разделения времени (Windows, UNIX, VMS), призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки. Здесь каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в таких системах каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант достаточно мал, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, поскольку на выполнение принимается запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе. Критерием эффективности такой систем является удобство и эффективность работы пользователя.

• системы реального времени (QNX, RT/11), применяются для управления различными техническими объектами (станок, спутник, тех. процесс и т.д.). В таких системах существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария. Таким образом, критерием эффективности – является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия), т.е. временем реакции системы.

Особенности методов построения

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу. К таким базовым концепциям относятся:

• монолитное ядро, т.е. ОС 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;

• микроядерный подход, в этом случае ОС, работающего также в привилегированном режиме, выполняет только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют 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 надежной и гибко - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима.

• наличие нескольких прикладных сред, которое дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные ОС поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора.

• распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера.