47966 (Основы программирования)

18

Операционные системы

1. Функции и задачи ОС

Операционная система (ОС), являясь основой общесистемного ПО, обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера и предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.

ОС – это набор программ, обеспечивающий организацию вычислительного процесса на ЭВМ.

Основные задачи:

1) увеличение пропускной способности ЭВМ (за счет организации непрерывной обработки потока задач с автоматическим переходом от одной задачи к другой и эффективного распределения ресурсов ЭВМ по нескольким задачам);

2) уменьшение времени реакции системы на запросы пользователями ответов от ЭВМ;

3) упрощение работы разработчиков программных средств и сотрудников обслуживающего персонала ЭВМ (за счет предоставления им значительного количества языков программирования и разнообразных сервисных программ).

Функции ОС:

1) управление данными;

2) управление задачами (заданиями, процессами);

3) связь с человеком-оператором. В различных ОС эти функции реализуются в различных масштабах и с помощью различных технических, программных, информационных методов и средств.

2. Одноранговые сетевые ОС

В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Одноранговые сети могут быть построены, например, на базе ОС LANtastic, Personal Ware, Windows for Workgroup, Windows NT Workstation.

В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность: одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими, и в таком случае их компьютеры выполняют роль клиента, за другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, а значит, они являются серверами, в третьем случае, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам, ОС, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация ОС в зависимости от преобладающей функциональной направленности - клиента или сервера. Все вариации реализуются средствами конфигурирования одного и того же варианта ОС. Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, однако, они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа. При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются двухранговые сети, где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.

3. Понятие процесса

Основными понятиями управления прохождением задач в ЭВМ являются процесс, задача, работа, программа, ресурс и т.д.

Процесс – минимальный программный объект, обладающий собственными системными ресурсами (запущенная программа). Это программный модуль, выполняемый в центральном процессоре (CPU).

Процессор – любое устройство в составе ЭВМ, способное автоматически выполнять допустимые для него действия (процессоры, каналы и устройства, работающие с каналами).

Классификация процессов:

1) по временным характеристикам различают:

– интерактивные;

– пакетные;

– реального времени.

2) по генеалогическому признаку различают:

– порождающие;

– порожденные.

3) по результативности различают:

– эквивалентные;

– тождественные;

– равные.

4) по времени развития делятся:

– последовательные;

– параллельные;

– комбинированные.

5) по месту развития:

– внешние;

– внутренние.

6) по принадлежности к ОС:

– системные;

– пользовательские.

7) по связности различают:

– взаимосвязанные;

– изолированные;

– информационно независимые;

– взаимодействующие;

– взаимосвязанные по ресурсам;

– конкурирующие.

Порядок взаимосвязи процессов определяется правилами синхронизации.

Процессы могут находится в отношении:

– предшествования;

– приоритетности;

– взаимного исключения.

Не следует смешивать понятие процесса и программы. Программа – это план действий, а процесс - это само действие, поэтому понятие процесса включает в себя:

– программный код;

– данные;

– содержимое стека;

содержимое адресного и других регистров процессора.

Каждый процесс представлен в ОС набором данных, называемых таблица управления процессом (PCB – process control block). В PCB процесс описывается набором значений, параметров, характеризующих его текущее состояние и используемых ОС для управления прохождением процесса через компьютер.

4. Планирование процессоров

Стратегии планирования процессора:

1. Первый пришел – первый обслуживается - first come – First served (FCFS). FCFS является наиболее простой стратегией планирования процессов и заключается в том, что процессор передается тому процессу, который раньше всех других его запросил.

Когда процесс попадает в очередь готовых процессов, УТП (PSB) присоединяется к хвосту очереди.

Среднее время ожидания для стратегии FCFS часто весьма велико и зависит от порядка поступления процессов в очередь готовых процессов.

Стратегии FCFS присущ так называемый «эффект конвоя». В том случае, когда в компьютере имеется один большой процесс и несколько малых, то все процессы собираются в начале очереди готовых процессов, а затем в очереди к оборудованию. Таким образом, он приводит к снижению загруженности как процессора, таки периферийного оборудования.

2. Стратегия «наиболее короткая работа выполняется первой» SJF – Shortest Job First. Одним из методов борьбы с «эффектом конвоя» является стратегия, позволяющая процессу из очереди выполняться первым.

5. Файловые таблицы FAT16, FAT32

Файл – область памяти, выделенная для хранения массива данных. В файлах могут храниться программы на алгоритмических или машинных языках. Исходные данные для работы программ и результаты и результаты заполнения программ, тексты и графические изображения. В настоящее время в ОС для ПК используются десятки файловых систем. В файловой системе MS-DOS используются:

– FAT16;

– FAT32;

– FAT12 (для дискет).

FAT – это таблица размещения файлов, т.е. у каждого файла есть свой адрес, который записан в эту таблицу.

FAT16 – на запись адреса отводится 16 бит. С их помощью можно выразить 2¹⁶ = 65536 разных адресов. Если размер диска 2 Гб., то на каждый адрес приходится 32 Кб.

Если же 2,5 Гб., то тогда на каждый адрес приходится более 64 Кб, но это не допустимо.

FAT32 – для этой таблицы размеры кластеров следующие:

Объем диска;

Размер кластера;

До 8 Гб;

8 – 16 Гб;

16 – 32 Гб;

свыше 32 Гб;

4 Кб;

8 Кб;

16 Кб;

32 Кб.

Кластеры выдаются одному файлу в любом свободном месте дисковой памяти и не обязательно являются смежными. Файлы хранящиеся в разбросанных по диску кластерах называются фрагментированными.

6. Основные свойства файлов

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений (например, файлы, содержащие программы игр, или файлы, составляющие один программный пакет), а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

– информация о разрешенном доступе;

– пароль для доступа к файлу;

– владелец файла;

– создатель файла;

– признак "только для чтения";

– признак "скрытый файл";

– признак "системный файл";

– признак "архивный файл";

– признак "двоичный/символьный";

– признак "временный" (удалить после завершения процесса);

– признак блокировки;

– длина записи;

– указатель на ключевое поле в записи;

– длина ключа;

– времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

– текущий размер файла;

– максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов, как это сделано в файловой системе MS-DOS, или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (рисунок 2.31). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня

7. Тенденции в структурном построении ОС

Для удовлетворения требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем к хорошо структурированным модульным системам, способным к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы.

Монолитные системы

В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры. ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая вольна вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра UNIX или Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа).

Многоуровневые системы

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Первой системой, построенной таким образом была простая пакетная система THE, которую построил Дейкстра и его студенты в 1968 году. Система имела 6 уровней. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы по прерыванию или по истечении времени. Уровень 1 управлял памятью - распределял оперативную память и пространство на магнитном барабане для тех частей процессов (страниц), для которых не было места в ОП, то есть слой 1 выполнял функции виртуальной памяти. Слой 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. С помощью этого уровня каждый процесс имел свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них. С помощью уровня 3 каждый процесс вместо того, чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, обращался к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

В системе THE многоуровневая схема служила, в основном, целям разработки, так как все части системы компоновались затем в общий объектный модуль. Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в ОС MULTICS. В системе MULTICS каждый уровень (называемый кольцом) является более привилегированным, чем вышележащий. Когда процедура верхнего уровня хочет вызвать процедуру нижележащего, она должна выполнить соответствующий системный вызов, то есть команду TRAP (прерывание), параметры которой тщательно проверяются перед тем, как выполняется вызов. Хотя ОС в MULTICS является частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивает защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая, например, доступ к одним сегментам только для записи, а к другим - для чтения или выполнения. Преимущество подхода MULTICS заключается в том, что он может быть расширен и на структуру пользовательских подсистем. Например, профессор может написать программу для тестирования и оценки студенческих программ и запустить эту программу на уровне n, в то время как студенческие программы будут работать на уровне n+1, так что они не смогут изменить свои оценки. Многоуровневый подход был также использован при реализации различных вариантов ОС UNIX. Хотя такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше воспринимается монолитным. Модель клиент-сервер Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты. Применительно к структурированию ОС идея состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций - например, управление памятью, создание или планирование процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения.

8. Структура и основные компоненты вычислительной системы

С момента появления первых систем было опробовано большое количество разнообразных структур систем, отличающихся друг от друга различными техническими решениями. Практика показала, что каждая структура ВС эффективно обрабатывает лишь задачи определенного класса. При этом необходимо чтобы структура ВС максимально соответствовала структуре решаемых задач. Только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность.