Самодел 1 (Старые версии Машбука или нечто подобное)

Московский Государственный Университет

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Конспект по курсу лекций Операционные системы

Операционные системы

Мы рассмотрим классовый подход в организации Операционных систем (ОС).

Основные блоки: 1)введение (историческое развитие вычислительных систем (ВС), определяемое появлением и развитием программного обеспечения и взаимодействием с аппаратными средствами компьютера; обзор свойств и характеристик ОС

2)методы и принципы организации ОС (процессы и взаимодействие процессов, файловая система, планирование, управление внешними устройствами, управление оперативной памятью, сетевое взаимодействие)

Введение – экскурсия в этот предмет.

Понятие ОС – ключевое понятие, связанное с ЭВМ – система интерфейсов для обеспечения удобства общения пользователя с компьютером, взаимодействия пользователя с аппаратными средствами компьютера.

У всех ОС разное назначение. История появления и развития ОС связано с развитием ОС.

Развитие вычислительной техники и программного обеспечения

Вычислительную технику традиционно или исторически разделяли на так называемые поколения. Поколение – это группа компьютеров, которые объединены по совпадению определенного набора признаков. Обычно это архитектура, элементная база, области применения и т.д.

Первое поколение компьютеров появилось в связи с массовым вычислением задач связанных с обороной (ядерное оружие и т.п.). Для ввода/вывода и в качестве запоминающего устройства использовались перфоленты. Строки вручную вводились в оперативную память и затем выполнялись.

Проблемы В случае возникновения ситуаций типа деления на нуль компьютер останавливался. Изменять программу также было очень тяжело, так как машинные коды завязаны на адресацию, следовательно, для того, чтобы редактировать, приходилось сдвигать всю программу. Чтобы не сдвигать, делали безусловный переход на конец программы, затем возвращались обратно.

Что появилось:

• однопользовательский, персональный режим

• зарождение класса сервисных, управляющих программ

• зарождение языков программирования

Появились такие упрощения жизни программистов как язык Assembler (появились мнемонические обозначения), программный транслятор из Assembler в машинные коды, появилась возможность вносить комментарии. Благодаря появлению мнемонических обозначений, корректировать программу стало проще.

Если компьютеры 1-го поколения были связаны восновном с вооружением, войной, то компьютеры 2-го поколения уже стали более распространенными и начали применяться в более привычных для нас сферах работы: управление предприятиями, сбор информации и т.д. Строились они на новой элементной базе на полупроводниковых приборах – это диоды и транзисторы. Конец 50-х 2-я половина 60-х годов.. Размер компьютеров второго поколения на порядки уменьшился по сравнением с компьютерами первого поколения, уменьшилась энергопотребление, уменьшились габариты, увеличилась скорость.

Стало возможно создавать более сложные по архитектуре системы. Уменьшились размеры, следовательно, проводники стали короче, следовательно, время работы уменьшилось и тепла стало выделяться меньше.

Пакетная обработка заданий Для работы компьютера формировался пакет программ, уход от персонального компьютера.

Проблема: Внешнее устройство было медленное, поэтому самая дорогая часть компьютера – центральный процессор(ЦП)- основное время простаивал. (пока ленту на нужное место промотаешь…) На ранних этапах рядом с компьютером сидела девушка и на кнопку нажимала, чтобы компьютер запустить…

Мультипрограммирование В памяти находились несколько программ пользователя(ей).Если одна программа не может выполняться(например, в связи с работой с внешним устройством), то можно запускать другую. Хорошо бы запускать компьютер только тогда, когда все готово, чтобы от девушки не зависеть…

Языки управления заданиями Нужен был язык, который позволял бы до начала работы программы сформировать требования, которые необходимы для ее выполнения.

Чтобы предотвратить зацикливание нужно знать:

1)Максимальное время счета программы

2) Объем оперативной памяти, которая будет использована максимально

3) Сколько памяти на магнитной ленте потребуется

4) Стоит ли магнитная лента …

Проблема: Работа с внешними устройствами упростилась, то есть появились стандартные управляющие программы, но у каждого внешнего устройства своя управляющая программа.

файловые системы Появились файловые системы. Пользователю представилась возможность именовать данные и сохранять их. Можно не знать, где конкретно они лежат.

виртуальные устройства Проблема: Развивались внешние устройства. У каждого свои особенности управления, а их очень много, поэтому неудобно. Появились виртуальные устройства – обобщение над всеми маленькими.

Их появление вызвало массовое внедрение вычислительной техники в повседневную жизнь. Массовое появление фирм, каждая из которых производила свою модель компьютеров.

Проблема: В результате идентичные устройства от разных производителей не взаимозаменялись.

Решение:

1)У третьего поколения все устройства стали унифицироваться.

2) Устройства стали использовать идентичные расходные материалы. Все стало унифицированное (машинная лента, катушка)

Все стало стыковаться за счет унификации аппаратных интерфейсов

создание семейств компьютеров Раньше программное обеспечение жило столько, сколько компьютер. Программы погибали вместе с компьютерами. Появились задачи, требующие компьютер с вполне определенной архитектурой. Например, для управления больницей – компьютер с большой внешней памятью. Компьютеры стали программно-приемственными снизу вверх. Семейства различались по цене и возможностям. Стала возможной модернизация компьютеров.

Большее развитие получили операционные системы. Появились первые сильно развитые операционные системы, у которых архитектура и основные компоненты были унифицированы. Одной из первых операционных систем значимых, этапных для всего развития мирового программного обеспечения - было появление операционной системы UNIX. В операционных системах появились простые средства разработки драйверов, появились стандартные интерфейсы организации драйверов.

Основной аппаратной характеристикой компьютеров 4-го поколения является использование интегральных схем большой и сверхбольшой интеграции. Т.е. элементная база используют устройства в корпусе которого может быть реализован целый функциональный узел процессор и т.д. Появились абсолютно новые сферы применения и компьютер все более и более стал терять свойства устройства для выполнения программ и для работы с программистом. Развитие элементной базы оно определило с одной стороны потенциальную возможность сфер применения компьютерной техники, с другой стороны потребность создания максимально дружественных интерфейсов между пользователем и вычислительной системой (очень значимо). Появление дружественных интерфейсов позволило возродить понятие персональный компьютер. Были созданы все условия, как аппаратные так и программные, для того, чтобы компьютер стал персональным устройством. Т.е. компьютеры 4-го и далее поколений – это персональные компьютеры, которые могут применяться везде и всюду, отсюда – массовое распространение компьютеров. Миниатюризации вычислительной техники позволила совершить существенное развитие применения компьютеров, как встраиваемых устройств, используемых для управления теми или иными технологическими и производственными процессами. Развитие компьютеров 4-го поколения и далее обусловила толчок к развитию сетевых технологий. Развитию сетевых технологий прошло по пути развитию компьютеров. Изначально создавались корпоративные компьютерные сети. Развитие вычислительной техники, появление больших объемов информации потребовало создание средств, которые бы унифицировали с одной стороны, с другой стороны максимально упростили создание компьютерных сетей. Здесь можно говорить о первом решении, которое было формально предложано международным институтом стандартизации (ISO) – это модель открытой системы ISO OSI. Модель ISO OSI немного обобщала уже опыт развития семейства протоколов, которые были сформированы в результате разработки проекта AADR, которое получило название TCP IP. Сетевые технологии – это разработка обще принятых программных и аппаратных интерфейсов, которые позволяют подключать компьютер через разные интерфейсы к тем или иным сетям. Одной из проблем связанным с компьютерами 4-го поколения и последующих является проблема, связанная с обеспечением безопасности хранения и передачи данных. Информация стала товаром и предметом собственности. Следовательно, возникает проблема, связанная с обеспечением безопасности в части минимизации возможности несанкционированного доступа к этой информации. На сегодняшний день существует целая отрасль, занимающаяся этими проблемами.

Основы архитектуры вычислительной системы

Вычислительная система - совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса.

Структура вычислительной системы

Взаимодействие уровней осуществляется с помощью межуровневых интерфейсов.

Средства программные доступные на уровнях управления ресурсами ВС:

•Система команд компьютера

• Программный интерфейс драйверов устройств как физических, так и виртуальных.

Аппаратный уровень вычислительной системы

Аппаратный уровень ВС. С позиции верхних уровней это физические ресурсы и система команд ЭВМ. Каждому физическому ресурсу соответствует определенный аппаратный компонент компьютера и его характеристики.

Характеристики:

1)Правила программного использования (для ЦП – система команд, для внешних устройств – команды управления ими)

2) производительность и/или емкость (ЦП – тактовая частота, разрядность обработки машинного слова; для внешнего запоминающего устройства – объем помещающейся информации и скорость доступа)

3) Степень занятости или используемости (ЦП – время, которое было затрачено, ОЗУ – объем используемой памяти; для линий связи – их загруженность)

Все эти характеристики определены для данного конкретного устройства в конкретном случае. Одно и тоже устройство может иметь различные характеристики, в зависимость от использования.

Средства программирования, доступные на аппаратном уровне:

• система команд компьютера;

• аппаратные интерфейсы программного взаимодействия с физическими ресурсами.

Управление физическими ресурсами ВС

Данный уровень является 1-м первым уровнем системного программного обеспечения вычислительной системы и его назначение в систематизации и стандартизации правил программного использования физических ресурсов. На этом уровне обеспечивается создание программ управления физическими ресурсами. Для обеспечения управления физическими ресурсами, используются программы, которые называются драйверами физического ресурса (устройства).

Д
райвер физического устройства – программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством.

Драйвер А предоставляет возможность работы с блочной организацией данных на магнитной ленте. Это означает, что вся информация, которая записывается на магнитную ленту, представлена в виде последовательности блоков данных фиксированного размера, каждый из блоков данных пронумерован от начала этой ленты. Соответственно для чтения данных с ленты мы должны пропустить все блоки, который предшествуют необходимому нам блоку и после этого идет обмен.