Лекции по операционным системам, страница 2

Развитие мультипрограммных систем, расширение спектра решаемых задач и существенное увеличение количества пользователей компьютеров потребовало развития «дружественности» интерфейсов между пользователем и системой. С точки зрения инструментальных средств программирования это развитие языков программирования и систем программирования, которое представимо в следующей эволюционной последовательности: система команд компьютера  автокоды и ассемблеры  языки программирования высокого уровня  проблемно-ориентированные языки программирования (Рис. 2.).

Операционные системы также получили свое развитие в этот период времени: появились языки управления заданиями, которые позволяли пользователю до начала выполнения его программы сформировать набор требований по организации выполнения программы. Появились первые прообразы современных файловых систем — систем, позволяющих систематизировать и упростить способы хранения и доступа пользователей к данным, размещенным на внешних запоминающих устройствах, что позволило пользователю работать с данными во внешней памяти не в терминах физических устройств и координат местоположения данных на этих физических устройствах, а в терминах имен или адресов некоторых наборов данных. В связи с этим у пользователя появилась возможность абстрагироваться от знания особенностей и способов организации хранения и доступа к данным конкретных физических устройств, что во многом послужило основой для появления виртуальных устройств.

1. Развитие языков и систем программирования.

Компьютеры третьего поколения: конец 60-х — начало 70-х годов ХХ века. Основным отличием компьютеров этого поколения было использование в качестве элементной базы интегральных схем, что определило увеличение производительности компьютеров, существенное снижение их размеров, веса, появление новых, высокопроизводительных внешних устройств. И, наверное, главной особенностью архитектуры компьютеров третьего поколения было начало аппаратной унификации их узлов и устройств, позволившей стимулировать создание семейств компьютеров, аппаратная комплектация которых могла достаточно просто варьироваться владельцем компьютера. Наиболее яркими представителями таких семейств были компьютеры серий IBM-360 фирмы IBM и семейство малых компьютеров PDP-11 фирмы DEC. Компьютеры первых двух поколений строились, как единые, аппаратно-целостные устройства, комплектация и возможности которых были существенно предопределены на этапе их производства. Их аппаратная модификация, обычно, была крайне затруднительна. Третье поколение компьютеров строилось на модульном принципе, что позволяло, при необходимости, осуществлять замену и расширение состава внешних устройств, увеличивать размеры оперативной памяти, заменять процессор на более производительный. Все это повлияло и на развитие и структуру операционных систем, которые вслед за аппаратурой приобрели модульную организацию с унификацией межмодульных интерфейсов. В операционных системах появились специальные программы управления устройствами — драйверы устройств, которые имели стандартные интерфейсы, позволявшие при аппаратной модификации компьютера достаточно просто обеспечивать программный доступ к новым или модифицированным устройствам. Кроме того, для обеспечения простоты и «дружественности» общения пользователя с различными устройствами компьютера появились виртуальные устройства, драйверы которых предоставляли пользователю набор единых правил работы с группой внешних устройств, что позволило создавать программы, не зависящие от типов используемых внешних устройств. Операционные системы компьютеров третьего поколения предоставляли новые режимы использования компьютеров, одним из таких режимов был диалоговый режим доступа к компьютеру. Вершиной идей, заложенных в операционные системы компьютеров третьего поколения, стала операционная система Unix, которая открыла направление развития комплексной стандартизации пользовательских интерфейсов, как на уровне интерфейсов командных языков, так и на различных уровнях программных интерфейсов от правил взаимодействия с драйверами устройств до интерфейсов с прикладными системами.

Завершение формирования сегодняшнего понятия операционной системы может быть связано с появлением четвертого и последующих поколений компьютеров, в построении которых использовалась элементная база, основанная на больших интегральных схемах. Компьютеры четвертого поколения, в первую очередь, ассоциируются с персональными компьютерами, совершившими в полном смысле слова революцию в массовом распространении информационных технологий. Компьютер из инструмента прикладного программиста стал повседневным, массово распространенным и доступным оборудованием. В связи с этим возник целый ряд проблем, решение которых потребовалось в операционных системах. В первую очередь это совершенствование «дружественности» пользовательских интерфейсов, упрощающих взаимодействие пользователя и операционной системы. Здесь лидирующую позицию занимают операционные системы компании Microsoft, которые в полном смысле слова совершили революцию в обеспечении массовости освоения компьютера. Активное развитие получили сетевые технологии, что привело к появлению сетевых и распределенных операционных систем. В этот период времени наибольшее развитие получила всемирная сеть Internet. В свою очередь возникли задачи обеспечения операционными системами безопасности хранения и передачи данных.

1. Этапы эволюции.

На данном этапе в результате эволюции понятий образовалось достаточно полное и однозначное определение того, что называется операционной системой, определена типовая структура операционной системы и функции ее основных компонентов. Сформировались принципиально новые разновидности операционных систем и режимов использования компьютеров.

Следует отметить тот факт, что развитие компьютеров, системного программного обеспечения, методов применения вычислительной техники показали, что единственным периодом истории, когда аппаратная часть разрабатывалась исключительно в качестве вычислителя без учета потребностей поддержки решения задач организации вычислительного процесса был период создания и производства компьютеров первого поколения. На сегодняшний день аппаратура и программное обеспечение современных компьютеров представляют единую взаимозависимую вычислительную систему, в которой многие функции операционной системы нельзя рассматривать вне контекста аппаратной поддержки компьютера, а многие аппаратные возможности сложно рассматривать вне контекста операционных систем (Рис. 3.).

1.1Основы архитектуры вычислительной системы

Современный компьютер и его программное обеспечение невозможно рассматривать в отдельности друг от друга. Рассматривая функционирование компьютера, мы всегда имеем в виду функционирование системы, в которой интегрированы аппаратура компьютера и его программное обеспечение. Результатом этой интеграции является вычислительная система (ВС), возможности и эксплуатационные качества которой определяются как аппаратурой компьютера, так и функционирующим на нем программным обеспечением. Вычислительную систему можно определить, как совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрим структурную организацию вычислительной системы.

1.1.1Структура ВС

Традиционным представлением структуры вычислительной системы является пирамида (Рис. 4.). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракции свойств вычислительной системы. Основанием является аппаратный уровень вычислительной системы — это основа всей иерархии, так как многие характеристики и функциональные возможности последующих программных уровней существенно определяются свойствами аппаратуры компьютера, находящегося в основе вычислительной системы.

Представление о возможностях и свойствах конкретной вычислительной системы формируются с позиций каждого из уровней структурной организации. Так вычислительная система представляется пользователю прикладной системы, работающей на компьютере, в виде совокупности возможностей этой прикладной системы. Примером может служить игровой автомат, являющийся компьютером, на котором функционирует операционная система, а также игровая программа, которая в данном случае является прикладной системой. Пользователю данной специализированной вычислительной системы ее свойства представляются в виде функциональных возможностей игровой программы и итоговой производительностью системы (если процессор компьютера маломощный, до динамика игры может быть недостаточной).

Другой пример — компьютер, используемый для обучения школьников языку программирования. Это означает, что для школьника или его учителя свойства данной вычислительной системы будут представляться с позиций уровня системы программирования, построенной на основе транслятора языка программирования, на котором идет обучение. Представление свойств вычислительной системы в данном случае будет формироваться из пользовательского интерфейса системы программирования в сочетании со свойствами и производительностью аппаратных компонентов компьютера.

1. Структура вычислительной системы.

Взаимосвязи уровней иерархической структуры вычислительной системы, их характеристики могут проявляться как в виде непосредственных межуровневых интерфейсов, определенных однозначным набором правил использования объектов одного уровня другим, так и косвенным влиянием одного уровня на другой. Примером подобного косвенного взаимодействия может служить влияние, оказываемое на характеристики функционирования всей вычислительной системы в целом, производительности или емкости аппаратных компонентов компьютера (внешних устройств, процессора, оперативной памяти, линий связи и пр.). В качестве иллюстрации рассмотрим вычислительную систему, имеющую канал связи, обеспечивающий доступ в Интернет со скоростью 64 Kbps. Данная система сможет обеспечить достаточно комфортные условия для интенсивной работы в Интернете одного–двух пользователей. Если количество пользователей возрастет до 10, будут возникать задержки при обработке запросов, что снизит качество работы пользователей. При росте числа пользователей до 100, организовать их интенсивную работу в Интернете на данной вычислительной системе не представляется возможным, т.к. пропускная способность канала связи не справится с потоком запросов, поступающих от пользователей. Таким образом, проявляется косвенное влияние пропускной способности канала связи на эксплуатационные характеристики (или качества) вычислительной системы.

Рассмотрим основные характеристики и суть взаимосвязи уровней пирамиды, представляющей структуру вычислительной системы.

1.1.2Аппаратный уровень ВС

Итак, аппаратный уровень вычислительной системы определяется набором аппаратных компонентов и их характеристик, используемых вышестоящими уровнями иерархии и оказывающих влияние на эти уровни. С позиций уровней, расположенных выше, аппаратный уровень предоставляют т.н. физические ресурсы, или физические устройства вычислительной системы. Каждому физическому ресурсу соответствуют определенные аппаратные компоненты компьютера и их характеристики. Физическими ресурсами являются процессор компьютера, оперативная память, внешние устройства, входящие в состав компьютера. Каждому физическому ресурсу вычислительной системы обычно соответствуют следующие характеристики:

• правила программного использования, определяющие возможность корректного использования данного ресурса в программе (для процессора компьютера эти правила описывают машинный язык — систему команд данного компьютера, на основании которой возможно построение работающей программы, для внешнего устройства компьютера подобные правила описывают способы программного управления данным устройством, к примеру, это могут быть специальные команды ввода-вывода процессора);

• параметры физического ресурса, характеризующие его объемные характеристики и/или производительность (для процессора компьютера таким параметром может служить его тактовая частота, а для внешнего запоминающего устройства — объем информации, которая может храниться на данном устройстве и скорость доступа);

• степень использования данного физического ресурса в вычислительной системе — это параметры, которые характеризуют степень занятости или используемости данного физического ресурса (для процессора компьютера такой характеристикой является время его работы, затраченное на выполнение программ пользователей, для оперативного запоминающего устройства это будет объем используемой памяти, для линий связи — это ее загруженность).

В принципе нет единого правила формирования этих характеристик для любого физического ресурса: они зависят от конкретного устройства компьютера, от архитектуры компьютера, от стратегии использования данного ресурса. Так, например, для одного и того же внешнего устройства правила его программного использования могут существенно отличаться от того, каким образом данное устройство подключено к компьютеру. Об этом более подробно будет рассказано несколько позднее, в пункте, посвященном внешним устройствам компьютера (см. раздел 2). Тем не менее, данные характеристики служат для обеспечения взаимосвязи аппаратного уровня вычислительно системы с последующими уровнями иерархии.

Если мы будем рассматривать уровни организации вычислительной системы с точки зрения возможностей и средств программирования, то на аппаратном уровне пользователю вычислительной системы предоставлены в качестве средств программирования система команд компьютера и аппаратные интерфейсы программного взаимодействия с физическими ресурсами, что на самом деле практически полностью совпадает со средствами программирования, которые были доступны программистам на ранних этапах освоения компьютеров первого поколения.

1.1.3Управление физическими ресурсами ВС

Уровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системного программного обеспечения вычислительной системы. Его назначение — систематизация и стандартизация правил программного использования физических ресурсов. Для иллюстрации проблемы вернемся во времени к компьютерам первого поколения. Начальный этап зарождения вычислительной техники был этапом структурного «хаоса»: вычислительная система представлялась двухуровневой моделью, состоящей из уровня аппаратуры компьютера и уровня всего программного обеспечения. Программа пользователя включала в себя как кодовую часть, реализующую решение конкретной прикладной задачи, так и часть, которая обеспечивала взаимодействие с физическими устройствами компьютера (в большинстве случаев речь шла об управлении внешними устройствами компьютера). Программирование управления физическими устройствами — достаточно кропотливая работа, при которой необходимо учитывать сложную логику организации взаимодействия с конкретным устройством компьютера. Для адаптации возможности программы для работы с другими типами устройств требовалась существенная модификация кода программы в части, обеспечивающей это взаимодействие, что приводило к существенным трудозатратам, а также снижало надежность программы из-за роста риска внесения ошибок в логику ее работы.