Уровни операционной системы. Функции операционных систем.

[Eternity]

Понятие операционной системы

Причиной появления операционных систем была необходимость создания удобных в использовании компьютерных систем (т.е. КС – совокупность аппаратного и программного обеспечения компьютера). КС создавались для решения практических задач пользователей, но делать это только с помощью аппаратных средств было неудобно, и были созданы прикладные программы. Такие программы выполняли общие операции управления аппаратными средствами, распределением аппаратных ресурсов и т.д. Эти операции были сгруппированы в рамках отдельного уровня программного обеспечения, которые и стали называть операционными системами.

Операционная система (ОС) – это программное обеспечение, которое реализует связь между прикладными программами и аппаратными средствами компьютера.



Назначение ОС

Операционные системы обеспечивают, во-первых удобство использования КС, во-вторых, эффективность и надежность ее работы.

Первая функция свойственна ОС как расширенной машине, вторая – ОС как распределителя аппаратных средств.



ОС как расширенная машина

С помощью ОС у прикладного программиста ( а через его программы и у пользователя) должно создаваться впечатление, что он работает с расширенной машиной.

Аппаратное обеспечение компьютера недостаточно приспособлено для непосредственного использования в программах. Например, если рассмотреть работу с устройствами ввода-вывода на уровне команд соответствующих контроллеров, то видно, что набор таких команд ограничен и примитивен. ОС скрывает такой интерфейс программного обеспечения, вместо него программисту предлагают интерфейс прикладного программирования (см. рис.1), который использует понятие верхнего уровня – абстракции.








image001.gif



Рисунок 1 – Взаимодействие ОС с аппаратным обеспечением и применениями



Например, при работе с винчестером типовой абстракцией является файл. Работать с файлом проще чем непосредственно с контроллером винчестера (не нужно учитывать перемещения головок дисковода, запускать и останавливать мотор и т.д.), в следствии чего программист может сосредоточиться на сути своего прикладного задания. Взаимодействие с контроллером винчестера осуществляет ОС.

Выделение абстракций дает возможность достичь того, что код ОС и прикладных программ не будет требовать изменений при переходе на новое аппаратное обеспечение. Например, если установить на компьютере дисковое устройство нового типа (при условии, что оно поддерживается ОС), все его особенности будут учитаны на уровне ОС, а прикладные программы будут продолжать использовать файл, как и раньше. Такая характеристика системы называется аппаратной независимостью. Можно сказать, что ОС предоставляют аппаратно-независимую среду для прикладных программ.



ОС как распределитель ресурсов

ОС должна эффективно распределять ресурсы. Под ресурсами подразумеваются: процессорное время, дисковое пространство, память, средства доступа к внешним устройствам. ОС выступает в роли менеджера этих ресурсов и предоставляет их прикладным программам по требованию.

Различают два основных вида распределения ресурсов. В случае пространственного распределения ресурс доступен нескольким пользователям одновременно, при этом каждый из них может использовать часть ресурса (так распределяется память). В случае временного распределения система ставит пользователей в очередь и в соответствии с ней дает им возможность пользоваться ресурсом ограниченное время (так распределяется процессор в однопроцессорных системах).

При распределении ресурсов ОС разрешает возможные конфликты, предотвращает несанкционированный доступ программ к тем ресурсам, на которые они не имеют прав, обеспечивает эффективную работу компьютерной системы.

Задачи ОС

Задачи ОС по управлению ресурсами КС: планирование ресурса; удовлетворение запросов на ресурсы; отслеживание состояния ресурса; учет использования ресурса; разрешение конфликтов между процессами.

Управление памятью

Во время выполнения программного кода процессор берет инструкции и данные из оперативной (основной) памяти компьютера. При этом такая память отображается в виде массива байт, каждый из которых имеет адрес.

ОС отвечает за выделение памяти под защищенное адресное пространство процесса и освобождение памяти после завершения выполнения процесса. Объем памяти, доступный процессу, может изменяться в ходе выполнения – это динамическое распределение памяти.



ОС должна обеспечивать возможность выполнения программ, которые отдельно или в совокупности превышают по объему доступную основную память. Для этого в ней должна быть реализована технология виртуальной памяти. Такая технология дает возможность размещать в основной памяти только те инструкции и данные процесса, которые нужны в текущий момент времени, при этом содержимое другой части адресного пространства сохраняется на диске.

ОС должна отслеживать свободную и занятую память; выделять память процессам; защищать память; освобождать память при завершении процесса; настраивать адреса программы на конкретную область физической памяти; вытеснять процессы из оперативной памяти на диск и обратно.

Задачи подсистемы управления процессами: планирование выполнение процессов; создание и уничтожение процессов; обеспечение процессов необходимыми ресурсами; поддержка синхронизации процессов; обеспечение взаимодействия между процессами.

Управление вводом-выводом

ОС отвечает за управлениями устройствами ввода-вывода, подключенными к компьютеру. Поддержка таких устройств в ОС обычно выполняется на двух уровнях. К первому, нижнему, уровню относятся драйверы устройств – программные модули, которые управляют устройствами конкретного типа с учетом всех их особенностей. Ко второму уровню относится универсальный интерфейс ввода-вывода, удобный для использования в прикладных программах.

ОС должна реализовывать общий интерфейс драйверов ввода-вывода, через который они взаимодействуют с другими компонентами системы. Такой интерфейс дает возможность упростить добавление в систему драйверов для других устройств.

Современные ОС предоставляют большой выбор готовых драйверов для конкретных периферийных устройств. Чем больше устройств поддерживает ОС, тем больше у нее шансов на практическое использование.

Сетевая поддержка

Сетевые системы

Современные ОС приспособлены для работы в сети, их называют сетевыми ОС. Средства сетевой поддержки дают ОС возможность:

- предоставлять локальные ресурсы (дисковое пространство, принтеры и т.д.);



- обращаться к ресурсам других компьютеров по сети, т.е. функционировать как клиент.

Реализация функциональности сервера и клиента базируется на транспортных средствах, ответственных за передачу данных между компьютерами в соответствии сетевому протоколу.

Распределенные системы

Сетевые ОС не скрывают от пользователя наличие сети, сетевая поддержка не определяет в них структуру системы, а дает ей дополнительные возможности. Есть ОС, которые объединяют ресурсы нескольких компьютеров в распределенную систему. Для пользователя такая система выглядит как компьютер с несколькими процессорами.

Безопасность данных

Под защитой данных подразумевается обеспечение надежности системы (защиту данных от утраты в случае сбоев) и защиту данных от несанкционированного доступа, а так же аудит ОС, резервное копирование файлов и обеспечение отказоустойчивости аппаратуры и ПО.

Для защиты от несанкционированного доступа ОС должна обеспечивать наличие средств аутентификации пользователей (система паролей) и их авторизации (проверка прав пользователя).



Интерфейс пользователя

Есть два типа средств взаимодействия пользователя с ОС: командный интерпретатор и графический интерфейс пользователя.

Командный интерпретатор дает возможность общения с ОС в командном режиме: интерактивно или через запуск командных файлов.

Графический интерфейс пользователя дает возможность взаимодействовать с ОС, открывая окна и выполняя команды с помощью меню или кнопок.

Подходы к реализации графического интерфейса различны: в Windows-системах средства его поддержи встроены в систему, а в Unix они являются внешними для системы и базируются на стандартных средствах управления вводом-выводом.



Классификация ОС

Классификация ОС в зависимости от области их применения:

ОС больших ЭВМ (мейнфреймов). Основной характеристикой аппаратного обеспечения, для которого их разрабатывают, является производительность ввода-вывода: большие ЭВМ оснащают значительным количеством периферийных устройств (дисплеев, терминалов, принтеров и т.д.). Такие ОС используют для надежной обработки значительных объемов данных, при этом ОС должна эффективно поддерживать эту обработку (в пакетном режиме или в режиме распределения времени). Примером такой ОС может быть OS/390 фирмы IBM.

Серверные ОС. Главная характеристика таких ОС – способность обслуживать большое число запросов пользователей к совместно используемым ресурсам. Для таких систем важна сетевая поддержка. Сейчас для реализации серверов используют универсальные ОС Unix или системы линии Windows XP.

Персональные ОС – самая массовая категория. Некоторые ОС этой категории разрабатыва с расчетом на непрофессионального пользователя (линия Windows 2000/ XP/7), другие являются упрощенными версиями универсальных ОС. Особенностью персональных ОС является поддержка графического интерфейса пользователя и мультимедиа-технологии.



ОС реального времени. В такой системе каждая операция должна быть гарантированно выполнена в заданном временном интервале. Такие ОС могут управлять полетом космического корабля, технол. процессом и т.д. Существуют специализированные ОС реального времени, такие как QNX и VxWorks.

Встроенные ОС. К ним относятся управляющие программы для разнообразных микропроцессорных систем, которые используют в военной технике, системах бытовой электроники, смарт-картах и др. устройствах. К таким системам предъявляют особые требования: размещение в малом объеме памяти, поддержка специализированных средств ввода-вывода, возможность прошивки в ПЗУ. Часто встроенные ОС разрабатывают под конкретное устройство. К универсальным встроенным ОС принадлежат Embedded Linux и freeBsd.