Сетевые операционные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО КУРСУ

«ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ»

1. Назначение и функции ОС

Операционная система - это

· Набор программ, обеспечивающих возможность использования аппаратуры компьютера.

· Набор программ, управляющих системными ресурсами и служащий фундаментом для написания прикладных программ.

· Комплекс взаимосвязанных программ, действующих, как интерфейс между приложениями, пользователями и аппаратурой компьютера.

Операционные системы играет 2 основные роли:

1. Операционная система, как виртуальная (расширенная) машина.

Операционная Система избавляет программистов от необходимости напрямую работать с аппаратурой. Берет на себя рутинные операции, связанные с управлением различными устройствами. Скрывает особенности архитектуры компьютера, таким образом образуя расширенную виртуальную машину, которую легче программировать и с которой легче работать.

2. Операционная система, как система управления ресурсами.

Ресурсы делятся на аппаратные (процессор, основная память, таймеры, диски, принтер и т.д.) и программные или виртуальные ресурсы (файлы, наборы данных, область памяти, регистры процессоров и т.д.). Ресурсы распределяются между процессами.

Процесс - это программа в стадии выполнения. Процесс состоит из потоков. Управление ресурсами необходимо для повышения эффективности выполнения процесса.

Ф-ии и задачи по управлению ресурсами.

1) Планирование ресурсов - определение какому процессу, когда, в каком количестве следует выделить данный ресурс.

2) Удовлетворение запросов на ресурсы.

3) Отслеживание состояний и учет используемого ресурса - поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена.

4) Разрешение конфликтов между процессами.

2. Функциональные компоненты ОС

1. Управление процессами

1) Создание процесса - при создании ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса ресурсов и фактически выделенных ресурсов.

Процессы делятся на 2 группы:

1. Системные процессы (порожденные ОС для выполнения своих функций),.

2. Пользовательские (по инициативе пользователя или их приложения).

Каждый процесс характеризуется контекстом или дескриптором.

Дескриптор - это идентификатор процесса.

Контекст - характеристика состояния операционной среды (режим работы процессора, указатель на открытый файл, состояние регистров процессора, т.е. всех данных необходимых для функционирования процессора).

2) Изоляция (защита) выделенных ресурсов.

3) Синхронизация ожидания процессов.

4) Взаимодействие процессов.

5) Функция планирования ресурсов (адрес пространства памяти).

6) Переключение процессов (из режима ожидания в активный и наоборот).

7) Уничтожение ресурсов.

2. Управление памятью

1) Распределение имеющейся памяти между всеми процессами.

2) Загрузка кодов и данных процессов в отведенной области памяти.

3) Поддержка виртуальных адресных пространств памяти.

4) Защита области памяти каждого процесса.

3. Управление файлами и внешними устройствами

Файл - это простая, не структурированная последовательность байтов, имеющих символьное имя.

Управление файлами:

1) Поддержка файловой системы.

2) Поддержка интерфейсов для работы с накопительными и внешними устройствами (дрова).

3) функции по работе с файлами (создание, удаление, чтение, изменение).

4) Обеспечение совместного доступа, защита, контроль доступа.

Управление внешними устройствами (УВВ):

1) Определение программного интерфейса для обращения к устройству (виртуальное устройство).

2) Распределение и инициализация устройств.

3) Обработка запросов к устройствам.

4. Защита данных и администрирование

Необходима для безопасности данных, для обеспечения отказа устойчивости, защита от сбоев и отказов аппаратуры, ошибок Программного Обеспечения и от несанкционированного доступа.

Средства защиты данных:

1) Аутентификация - управление входом пользователя в систему.

идентификация + аутентификация

имя подтверждение (пароль и т.д.)

2) Управление правами пользователя и процессов.

3) Протоколирование и аутентификация доступа к ресурсам.

4) Защита ОС от прикладных процессов (код ОС, данные, аппаратные устройства).

5. Интерфейс прикладного программирования (API).

Предоставление возможностей ОС программисту:

1) Обработка обращений прикладных программ.

2) Передача параметров вызовов и результаты их обработки.

6. Пользовательский интерфейс

ОС должна обеспечивать удобный интерфейс для пользователя и возможности гибкого управления администратора.

2 вида интерфейса:

1) командный (текстовой),

2) графический (GUI).

3. Классификация ОС

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.

Ниже приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.

Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, 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.

Поддержка многозадачности.

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

· однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

· многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

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.

Поддержка многопользовательского режима.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

· однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

· многопользовательские (UNIX, Windows NT).

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.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность.

Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

· невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

· вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

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.

Поддержка многонитевости.

Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка.

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная 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.

Сетевые и несетевые ОС.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

Особенности аппаратных платформ

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.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные 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, 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

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

· системы пакетной обработки (например, OC EC),

· системы разделения времени (UNIX, VMS),

· системы реального времени (QNX, RT/11).

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, 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. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

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. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, 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. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

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.

4. История развития ОС

1) середина 40 - середина 50 гг. (45 - 55)

Разработчики = операторы + программисты

ОС нет.

2) 55 - 65 гг.

Появление первых пакетных систем обработки данных.

Функции ОС выполнялись операторами: из имеющейся программ оператор выбирал те из них, которые по разному использованию ресурсов ЭВМ.

Первые программные реализации систем пакетной обработки (программа-монитор) имеют свои функции управления вычислительными процессами. Для этого используется язык управления заданиями JCL.

3) 65 - 75 гг.

Этап интегральных схем.

Появление специального механизма интегрирования схем:

- Мультипрограммирование

- Мультипроцессирование

- Поддержка многотерминального, многопользовательского режима

- Виртуальная память

- Файловая система

- Разграничения доступа

- Сетевой режим

Мультипрограммирование - это организация вычислительного процесса, когда в памяти компьютера одновременно находится несколько программ попеременно выполняемые на 1-м процессоре.

Реализовано в 2-х вариантах:

1 - Системно-пакетная обработка,

2 - Система разделения времени.

Система разделения времени - для каждого пользователя создается иллюзия единоличной работы машины за счет выделения каждой программе своей доли процессорного времени.

Системно-пакетная обработка + Система разделения времени = система удаленного ввода заданий.

Реализация мультипрограммирования потребовало важных архитектурных изменений.

2 режима работы процессора:

· Привилегированный (защищенный),

· Пользовательский.

Мультипроцессор - выполнение программ несколькими процессорами одновременно.

4) 75 - 85 гг.

Распространение мини ЭВМ и их архитектура была упрощена.

Большая интеграция сетевых технологий Операционной Системы (TCP/IP).

5) 85 - конец 90-х гг.

Появление персональных компьютеров.

Эволюция ОС проходит те же этапы, что и для вышеупомянутых.

6) конец 90-х до сегодня.

- Все Операционные Системы являются сетевыми

- Максимальная поддержка работы с Интернет

- Появление корпоративных Операционных Систем

- Встроенные средства обеспечения безопасности

- Многоплатформенность

- Повышение удобства работы человека с компьютером

Эволюция ОС

5. Основные принципы построения ОС

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

К таким базовым концепциям относятся:

· 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.

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

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

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

6. Мультипрограммирование в системах пакетной обработки

При использовании мультипрограммирования для повышения пропускной способности компьютера главной целью являются минимизация простоев всех устройств компьютера, и, прежде всего центрального процессора. Такие простои могут возникать из-за приостановки задачи по её внутренним причинам, связанным, например, с ожиданием ввода данных для обработки. Данные могут храниться на диске или же поступать от пользователя, работающего за терминалом. При возникновении такого рода блокировки выполняемой задачи естественным решением, ведущим к повышению эффективности использования процессора, является переключение процессора на выполнение другой задачи, у которой есть данные для обработки. Такая концепция мультипрограммирования положена в основу так называемых пакетных систем.

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, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для этой цели в системах пакетной обработки используется 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. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие разные требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины.

Выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается выгодное задание. Следовательно, в вычислительных системах, работающих под управлением пакетных ОС, невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определённого периода времени.

В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит по инициативе самой активной задачи, например, когда она отказывается от процессора из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому существует высокая вероятность того, что одна задача может надолго занять процессор и выполнение интерактивных задач станет невозможным. Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки данных, сводится к тому, что он приносит задание, отдаёт его диспетчеру - оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок повышает эффективность функционирования аппаратуры, но снижает эффективность работы пользователя.

• 7. Мультипрограммирование в системах разделения времени
• Повышение удобства и эффективности работы пользователя является целью другого способа мультипрограммирования - разделения времени. В системах разделения времени пользователям (или одному пользователю) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность «общения» с пользователем. Эта проблема решается за счёт того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог.
• Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя - программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю в этом случае предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. У всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.
• Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, та как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» системе. Мультипрограммное выполнение интерактивных приложений повышает пропускную способность компьютера (не в такой степени, как пакетные системы). Аппаратура загружается лучше, поскольку в то время, пока одно приложение ждёт сообщение пользователя, другие приложения могут обрабатываться процессором.

8. Мультипрограммирование в системах реального времени

Ещё одна разновидность мультипрограммирования используется в системах реального времени, предназначенных для управления от компьютера различными техническими объектами (например, станком, спутником) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная управляющая объектом программа. В противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности здесь является 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.

В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.

9. Требования к современным операционным системам

Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является выполнение основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, многооконный графический интерфейс пользователя, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Кроме требований функциональной полноты, к операционным системам предъявляются не менее важные эксплуатационные требования, которые перечислены ниже.

Расширяемость.

В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Примером может служить ОС UNIX. Поэтому операционные системы всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.

Переносимость.

В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностъю.

Совместимость.

Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows 3.x, Windows NT, OS/2), для которых наработана широкая номенклатура приложений. Некоторые из них пользуются популярностью до сих пор. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. 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. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.

Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна как минимум иметь в своем составе средства аутентификации - определения легальности пользователей, авторизации предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, аудита - фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.

Производительность.

Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет много факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе.

10. Основные виды ресурсов. Основные задачи ОС при управлении ресурсами

Ресурсы бывают двух видов:

1. Аппаратные (процессор, ОП, таймеры, диски, принтеры и т.д.);

2. Виртуальные (файлы, наборы данных).

Все ресурсы распределяются между процессами. Управление ресурсами необходимо для повышения эффективности выполнения процессов.

Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы.

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

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

2. 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. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

11. Виды архитектур ОС, преимущества и недостатки

Функциональная сложность ОС неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС. Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Наиболее общим подходом к структурированной ОС является разделение всех ее модулей на две группы:

· ядро - модули, выполняющие основные функции ОС;

· модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра обеспечивают управление процессами, памятью, устройствами ввода - вывода, и т.п. Все функции ядра можно разделить на два класса: функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса; функции, создающие прикладную программную среду, то есть поддерживающие запросы приложений (функции API).

Функции, выполняемые ядром, являются наиболее часто используемыми, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

· утилиты - программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютера, такие, например как программы сжатия дисков;

· системные обрабатывающие программы - текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

· программы предоставления пользователю дополнительных услуг - специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и т.д.

· библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например, библиотека функций ввода-вывода и т.д.

Методологии проектирования ОС.

Существует много подходов к проектированию ОС, рассматриваемые два из них являются классическими, они применялись при разработке реальных ОС. Первый подход - это иерархическая абстрактная машина, разработанная Дейкстрой (1968), второй - метод ядра Хансена (1971).

Методология, основанная на ядре, была разработана и использована для ОС на ЭВМ RC4000 (Хансен 1971). Суть подхода состоит в проектировании универсального ядра ОС, на основе которого конструируются и модифицируются множество ОС.

Аргументом в пользу такого подхода является то, что стратегии организации и распределения ресурсов в системах непрерывно должны расширяться и модифицироваться в ответ на ввод изменений и требования новых способов работы. Бринч Хансен был первым, кто разработал и внедрил подход к ядру “снизу вверх”.

Одной из первых современных ОС, основанной на методологии ядра была ОС MS DOS. ОС MS DOS состоит из двух модулей msdos.sys и io.sys, составляющих ядро системы, к которым с системными вызовами обращаются командный интерпретатор command.com, системные утилиты и приложения. Некорректно написанные приложения могут разрушить основные модули ОС, поэтому в большинстве современных ОС методология ядра предполагает, что ОС должна иметь по отношению к приложениям привилегии.

Обеспечить привилегии ОС невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы - пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который называют также режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). Обычно в привилегированном режиме работает ядро ОС, что иногда является основой для определения понятия ядра.

Приложениям, работающим в пользовательском режиме, запрещено выполнение команд, переключающих задачи, управляющих устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях, используется в многочисленных версиях UNIX, VAX VMS, OS/2, и с определенными модификациями - Windows NT.

Другим распространенным подходом к моделированию ОС является многослойная структура. Первым эту идею реализовал Э.Дейкстра.

Основной идеей Э.Дейкстры является размещение модулей ОС (процессов ОС) в иерархию, где каждый уровень определяет последовательно более абстрактную виртуальную машину. Чем дальше вверх осуществляется движение по иерархии, тем больше выполняется задач управления ресурсами; другими словами, определённые классы ресурсов могут быть проигнорированы на каждом уровне.

Эта методология привлекательна до сих пор, так как при изолировании функции ОС на различных уровнях иерархии и установлении ясных каналов связей между уровнями, можно значительно снизить сложность проекта и отладки. Самой сложной задачей при таком подходе является определение структуры уровня и функций каждого уровня. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции, которые в свою очередь оказываются примитивами для создания более мощных функций вышележащих слоев. Такая организация существенно упрощает разработку и модификацию системы, так как позволяет сначала определить функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем реализовать слои, двигаясь «снизу вверх».

Обычно многослойный подход распространяется и на структуру ядра.

Модели современных ОС

Современные ОС упрощают использование аппаратных средств ПК. Создаваемая ими “виртуальная” машина заметно отличается от реальной. Основной функцией современных ОС по-прежнему остаётся функция распределения ресурсов, среди которых наиболее важным является время процессора. В многозадачных ОС, таких как Windows 95 и Windows NT, выполняемая работа подразделяется на процессы, каждому из которых предоставляется память, системные ресурсы и по крайней мере один поток управления - исполняемая единица внутри процесса .

Кроме обеспечения совместного использования процессора, ОС распределяет память и управляет доступом к файлам и устройствам. ОС различаются по способам, которыми они представляют виртуальную машину пользователю и распределяют ресурсы.

Модель ОС - способ описания системы, связывающий все программно-аппаратные и сервисные функции ОС и задачи, которые она должна выполнять. Современные ОС базируются, как правило на следующих основных моделях:

· Монолитная модель.

· Многослойная модель.

· Модель клиент - сервер.

· Объектная модель.

· Мультипроцессорная модель.

12. Архитектура ОС с монолитным ядром. Особенности, преимущества и недостатки

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.

ОС представляется в виде набора процедур, каждую из которых может вызывать любая пользовательская процедура (пример - MS DOS). Такая монолитная структура не обеспечивает изоляции данных, в разных участках кода используется информация об устройстве всей ОС. Расширение ОС такого типа приводит к тому, что изменение некоторой процедуры может вызвать ошибки в других частях ОС.

Во многих монолитных ОС, кроме самых простых, приложения отделены от операционной системы. Код ОС исполняется в привилегированном режиме процессора - в режиме ядра (Kernel mode) и имеет доступ к системным данным и к аппаратуре; приложения (пользовательские программы) исполняются в непривилегированном, так называемом пользовательском режиме (user mode), в котором им предоставлен ограниченный набор интерфейсов и ограниченный доступ к системным данным. Когда пользовательская программа вызывает системную процедуру, процессор перехватывает вызов и переключает вызывающий поток в режим ядра. Когда выполнение системного вызова завершается, ОС переключает поток обратно в пользовательский режим и даёт возможность вызывающей программы продолжить выполнение. Структура монолитной ОС с разделением пользовательского режима и режима ядра показана на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

13. Многослойная структура ОС

Данный подход предполагает разделение кода ОС на модули, наслоенные один поверх другого. Каждый модуль предоставляет набор функций, которые могут вызываться другими модулями. Код, расположенный в некотором слое, вызывает код только из нижележащих слоёв. Одним из преимуществ многослойной организации ОС является то, что код каждого слоя получает доступ только к необходимым ему интерфейсам и структурам данных нижележащих слоёв. Кроме того, такая структура позволяет при отладке ОС начинать с самого нижнего слоя и добавлять по одному уровню до тех пор, пока вся система не станет работать правильно. Многослойная структура облегчает и расширение системы: можно целиком заменить любой слой, не затрагивая остальные части. Сверху вниз определяются требуемые функции слоев и интерфейсы, а снизу вверх разрабатывается программное обеспечение.

В первую очередь данный подход применим к ядру

Размещено на http://www.allbest.ru/

Слои 1 и2 в Win NT называются HAL

1) Средства аппаратной поддержки. Здесь находятся средства аппаратуры, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов (средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства переключения контекстовых процессов, средства защиты областей памяти).

2) Машинно-зависимые компоненты - программные модули, которые отражают особенности аппаратной платформы компьютера.

3) Базовые механизмы ядра, выполняет самые примитивные операции ядра -программное переключения контекста процессов, диспетчеризация прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обратно.

4) Менеджер ресурсов - это мощные функциональные модули, реализующие стратегические задачи по управлению основными ресурсами - менеджеры процессов, ввода/вывода, файловой системы и ОП. Менеджеры ведут учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений.

5) Интерфейс системных вызовов. Взаимодействие с приложениями и системными утилитами и реализация прикладного интерфейса API.

14. Архитектура ОС с микроядром. Особенности, преимущества и недостатки

При микроядерной архитектуре в привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС - микроядро. В него входят машинозависимые модули, аппаратура и базовые функции по управлению ресурсами (примерно равно уровню базовых механизмов ядра классической архитектуры). Все более высокоуровневые функции реализуются в виде приложений пользовательского режима, которые называются серверы.

Отличие утилит от серверов:

1. Утилиты вызываются пользователями для выполнения каких-либо отдельных функций, взаимодействия между ними практически нет. А отличие от этого, серверы (прежде всего менеджеры ресурсов), вызываются, прежде всего, приложениями для выполнения системных функций.

2. Серверы (менеджеры ресурсов) изначально создаются в расчете на взаимодействие друг с другом. Вся работа происходит через микроядро.

Достоинства микроядерной архитектуры:

1. Высокая переносимость, так как машинозависимый код изолирован в микроядре.

2. Очень высокая расширяемость, новые возможности добавляются в виде серверов.

3. Высокая надежность, каждый сервер выполняется в собственном, защищенном пространстве памяти. В случае сбоя, работа системы не страдает.

4. Хорошая поддержка распределенных вычислений, взаимодействие между микроядрами строится аналогично взаимодействию серверов.

Недостатки микроядерной архитектуры:

1. Производительность ниже, чем у классической (монолитной) архитектуры.

Монолитная

прилож прилож

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОС

Микроядерная

прилож сервер прилож

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроядро микроядро

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.

15. Аппаратная зависимость и переносимость ОС

· Практически все современные аппаратные платформы имеют некоторый типичный набор средств аппаратной поддержки ОС:

1. Средство поддержки привилегированного режима, реализуется с помощью системного регистра - регистра флагов

2. Средство трансляции адресов - выполняет преобразование виртуальных адресов в физические.

3. Средство переключения процессов - предназначены для быстрого сохранения приостанавливаемого процесса и восстановления контекста процесса, который становится активным. Выполняется с помощью переключателей контекстов, которые хранятся в системной области ОП, указатели на которые должны храниться в процессоре

4. Система прерываний - позволяет компьютеру реагировать на внешние события, синхронизировать выполнение процессов и работу устройств ввода-вывода. Большая часть действий ОС инициируется различными прерываниями.

5. Системный таймер - необходим ОС для выдержки интервалов времени. Часто реализуется в виде быстродействующего регистра счетчика.

6. Средство защиты областей памяти - обеспечивает на аппаратном уровне проверку возможности программного кода осуществлять с данными определенной области памяти такие операции, как чтение, запись или выполнение. Реализуется с помощью сравнения уровней привилегий выполняемого процесса и запрашиваемого сегмента памяти

· Машинно-зависимые компоненты

Хорошо структурированное ядро имеет машинно-зависимые модули в виде локализованного и функционального слоя, являющегося продолжением аппаратной особенности машины. Эта локализация значительно облегчает перенос системы на другую платформу. Чем больше количество платформ поддерживается ОС, тем больше объем имеет слой.

В Win NT - 4 модуля.

Сейчас обычно 1.

· Переносимость ОС

Переносимая или мобильная ОС - это та, которая может быть сравнительно легко перенесена с процессора (платформы) одного типа на процессор (платформу) другого типа.

Необходимо выполнение следующих условий

1. Большая часть кода должна быть написана на языке, транслятор которого имеется на всех машинах, куда предполагается переносить систему (языки высокого уровня - С; Ассемблер используется только для непереносимых частей системы, которые непосредственно взаимодействует с аппаратурой).

2. Объем машинно-зависимых частей кода должен быть минимальным.

3. Аппаратно-зависимый код должен быть надежно изолирован в нескольких модулях, а не распределен по всей системы.

16. Многозадачность. Понятие, способы реализации

Мультипрограммирование или мультизадачность - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько программ. Эти программы совместно используют не только процессор, но и другие ресурсы компьютера. Мультипрограммирование призвано повысить эффективность использования вычислительной системы. Наиболее часто используемыми критериями эффективности являются:

· Пропускная способность - количество задач, выполняемых системой в единицу времени;

· Удобство работы пользователей - возможность интерактивной работы одновременно с несколькими приложениями на одном компьютере;

· Реактивность системы - способность системы выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата.

Многозадачная система должна отвечать двум основным требованиям:

· обеспечивать разным процессам раздельное адресное пространство, то есть процесс не должны иметь доступ к области памяти, выделенной другому процессу;

· оперативно переключаться между выполняемыми процессами, разделяя между ними процессорное время и периферийные устройства.

В современных компьютерах распределение процессорного времени построено на двух принципах организации мультизадачности - кооперативной и вытесняющей.

...