Презентация на тему Понятие ОС. Функции и классификация

же такое ОС?
Эволюция вычислительных систем
Основные понятия и концепции ОС
Архитектура

ОС
Монолитное ядро
Слоеные системы (Layered systems)
Виртуальные машины
Микроядерная архитектура
Смешанные системы
Структура ОС
Классификация ОС
Семейства ОС
Выводы

(программное обеспечение, ПО):
Прикладное
Системное
Объединенные шиной

- Инструментальные системы?

ПО во многом условно:
Microsoft Word
Для пользователя – системная программа,

для программиста – приложение
С++ компилятор
Для прикладного программиста – системная программа, для системного – прикладная
Таким образом, вычислительную систему можно представить в виде последовательности слоев

машина
С помощью простых и ясных абстракций от программиста скрываются

физические подробности работы компьютера
ОС, как менеджер ресурсов
Осуществляет упорядоченное и контролируемое распределение процессорного времени, памяти и др. между программами
ОС, как защитник пользователей и программ
Обеспечивает сохранность данных каждого пользователя и изолирует их выполняющиеся приложения друг от друга

как постоянно функционирующее ядро
Постоянно работающая на компьютере программа (или

ее часть – ядро), взаимодействующая со всеми прикладными программами

Не существует точного адекватного определения, что такое ОС. Проще сказать, для чего нужна ОС и что делает.

таким определением:
ОС – это программа, загружающаяся при включении компьютера,

управляющая всеми его ресурсами, реализующая диалог с пользователем, запускающая и выполняющая другие программы

Таким образом, ОС реализует такие интерфейсы:
Аппаратно-программный
Программно-программный
Интерфейс пользователя

друг на друга
Критерии естественного отбора в эволюции вычислительных систем:
Удобство
Эффективность
Безопасность
История

эволюции ВТ насчитывает четыре периода

Ламповые машины. ОС отсутствуют
Июнь 1945 – принципы Джона фон

Неймана
Программирование только на машинном языке
Перфокарты или панели переключателей
Организация вычислительного процесса выполнялась программистом с пульта управления
За пультом – только один человек
Одновременно выполняется только одна операция
1-е системное ПО:
1051-52 гг. – прообразы компиляторов, например, с Fortran
1954г. – ассемблер для IBM-701 (Нэт Рочестер)

60-х): Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные ОС
Новая элементная база

– транзисторы:
Повышение надежности ВТ
Снижение энергопотребления
Упрощение систем охлаждения
Уменьшение размеров компьютеров
Снижение стоимости их эксплуатации и обслуживания
Компьютеризация бизнеса
Бурное развитие алгоритмических языков (Algol-58, Lisp, Cobol, Algol-60, PL-1,…), настоящие инструментальные системы
Разделение персонала на программистов и операторов
Задания (программа, входные данные, требуемые ресурсы),пакеты заданий
Вычислительным процессом управляют системы пакетной обработки, имеющие формализованный язык управления заданиями

60-х-1980): Компьютеры на основе ИМС. Первые многозадачные ОС
Переход от

транзисторов к интегральным микросхемам (ИМС):
ВТ становится надежной и дешевой
Решаются многочисленные и сложные задачи
Растет производительность процессоров
«Бутылочное горлышко» - низкая скорость устройств ввода-вывода буферизация
Режим off-line – операции ввода-вывода выполняются на отдельно стоящих компьютерах
On-line – spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) – на том же компьютере, который производит вычисления
прерывания

сменили магнитную ленту
Планирование заданий
Мультипрограммирование
Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода,

процессор выполняет другую программу
Аналогия: преподаватель и студенты на экзамене
Аппаратная поддержка:
Защитные механизмы
Привилегированные и непривилегированные команды
Прерывания
Внешние – произошло асинхронное событие
Внутренние (исключительные ситуации) – ошибки, нарушения защиты,…

к изменению ОС:
Системные вызовы, как интерфейс между ОС и

прикладными программами
Планирование заданий
Необходимость сохранения контекста (содержимого регистров и структур данных) при переключении задач
Стратегии управления памятью
Средства коммуникации и синхронизации между программами
Все же пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием ☹

на основе ЭЛТ и полноценные клавиатуры
Мультипрограммирование time-sharing

-системы, или системы разделения времени
Процессор переключается между задачами не только во время операций ввода-вывода, но и просто через определенные промежутки времени
Многопользовательский режим
Механизм виртуальной памяти
Развитые файловые системы
Семейства программно-совместимых машин
IBM/360 (OS/360 ≥1000 известных ошибок)
PDP (PDP-11)

время): Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы
Появление БИС
Возрастание

степени интеграции
Очередное удешевление
Персональные компьютеры (ПК)
Деградация ОС: один пользователь в однозадачном режиме
«Дружественный», интуитивно понятный интерфейс
Возрождение ОС
Автономные (классические) ОС
Сетевые ОС (сер. 80-х)
Распределенные ОС
ПК стал своего рода бытовым прибором

ОС:
Планирование заданий
Средства коммуникации и синхронизации программ
Управление памятью
Файловая система
Управление вводом-выводом
Обеспечение

безопасности
Реальная эволюция проходила не так плавно и равномерно
Это - не единственно возможный путь развития ОС!
ОС существуют потому, что на данный момент это разумный способ использования ВТ

прикладной программой (сервис)
Создают, используют и удаляют различные объекты:
Процессы
Файлы
…
Переход задачи

в привилегированный режим (kernel mode)
Осуществляется командой программного прерывания (INT) – синхронное событие (связано с выполняемым процессором кодом)

к процессору) устройством
Например, пользователь нажал клавишу
Завершилась асинхронная операция ввода-вывода
Прерывания

таймера
Планирование процессов
Асинхронное событие – возникает независимо от того, какой код выполняется процессором в данный момент

недопустимой операции, доступа к ресурсу при отсутствии необходимых привилегий,

или обращения к отсутствующей странице памяти
синхронные события, возникающие в контексте текущей задачи (как и системные вызовы)
Исправимые (нет нужных данных в памяти)
Неисправимые (ошибка в программе) завершение программы

имеющая имя
Файловая система (file system) – скрывает особенности

ввода-вывода и дает программисту простую абстрактную модель файлов, независимую от устройств
Системные вызовы для работы с файлами
Понятия каталога, пути,…

ОС
Нити (потоки, threads)
Подробнее – в дальнейших лекциях

отдельные модули, а части одной большой программы
Сборка (компиляция) ядра

выполняется отдельно для каждого компьютера
Добавление новых компонентов и исключение неиспользуемых
Экономия памяти
Повышение надежности
Быстродействие
Старейший способ организации ОС (UNIX)
Все равно можно выделить некоторую структуру

ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями
Каждый слой

может вызывать объекты только из нижнего ближайшего к нему слоя
Система THE (Technishe Hogeschool Eindhoven), Дейкстра и его студенты, 1968г.
Слоеные системы:
Хорошо реализуются
Хорошо тестируются
Хорошо модифицируются
Тяжелы в разработке (определение слоев)
Менее эффективны, чем монолитные (при вводе-выводе надо пройти все слои ☹)

«голая» копия всего hardware
Каждый может запустить свою собственную ОС
CP/CMS,

или VM/370 (для семейства IBM/370)
Виртуальные машины менее эффективны, чем реальная
Громоздкость
Но! Можно использовать на одной машине программы, написанные для разных ОС

самостоятельными программами
Микроядро обеспечивает взаимодействие между ними через передачу сообщений
Работает

в привилегированном режиме
Взаимодействие между программами
Планирование использования процессора
Первичная обработка прерываний
Операции ввода-вывода
Базовое управление памятью
Высокая степень модульности
Упрощается добавление новых компонент
Упрощается отладка
Снижение производительности из-за передачи сообщений
Следует аккуратно проектировать, чтобы минимизировать взаимодействие компонентов

– монолитная система с элементами микроядерной архитектуры
Модули ядра
Запуск ОС

с монолитным ядром под управлением микроядра – 4.4 BSD, MkLinux (микроядро Mach)
Windows NT – тесное сплетение элементов микроядерной архитектуры и монолитного ядра
Сложное и большое ядро (более 1 Мб)
Передача сообщений между компонентами ОС
Но! Одно адресное пространство и общие структуры данных (как в монолитных ОС)
Режим ядра и режим пользователя (как в монолитных ОС)
Windows NT – гибридная ОС

– базовая система ввода-вывода. Встроена в ПЗУ машины. Выполняет

наиболее простые и универсальные услуги ОС по вводу-выводу (Windows NT не использует BIOS)
Загрузчик – в 1-м секторе нулевой дорожки системного диска (для HDD это не так). Считывает в память еще два модуля ОС
Резидентная часть – файлы IO.SYS и MSDOS.SYS – остаются в памяти постоянно. IO.SYS – дополнение к BIOS, MSDOS.SYS – реализует основные высокоуровневые услуги ОС
Командный процессор (интерпретатор) – файл COMMAND.COM). Обрабатывает команды, вводимые пользователем
Команды
Внутренние – их командный процессор выполняет сам
Внешние – поставляются с ОС в виде отдельных программ
Драйверы устройств – расширяют возможности ОС по управлению устройствами, позволяют подключить новые устройства или нестандартным образом использовать имеющиеся
+ оболочки (DOS Navigator, Norton Commander,…) и операционные оболочки (Windows, SEAL, Polit,…)

зрения пользователя по нескольким критериям

(между программами)

персональных данных каждого пользователя

всех алгоритмов управления ресурсами
Linux, Solaris, Windows NT
Многопроцессорные ОС:
Симметричные
Обработка полностью

децентрализована
Асимметричные
Процессоры неравноправны
Master
Slave

времени
Предназначены в первую очередь для управления техническими объектами (АЭС)

и технологическими процессами
Характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие
Нет виртуальной памяти
QNX

использовалась более 15 лет!
Оболочки
Операционные оболочки
Многозадачность
Расширенные средства обмена данными между

программами
Графический интерфейс пользователя
Графические ОС
Графический интерфейс пользователя (манипулятор)
Windows’9x
Windows NT
Linux (на самом деле это и не совсем так)

система
Большое число внешних команд
OS/2
Графический интерфейс пользователя
Windows’9x
Псевдомногозадачные ОС
32-х разрядные, но

с сохранением 16-ти разрядной подсистемы
Windows NT, 2k, XP, 2003 Server, Longhorn
Многопользовательские
Истинно многозадачные
Полностью 32-х разрядные
UNIX, XENIX, Linux
Многопользовательские
Истинно многозадачные
Полностью 32-х разрядные
сверхзащищенные
QNX, WebOS, BeOS
Нестандартные ОС
ОС реального времени
…

аппаратурой
Вычислительные системы прошли в своей эволюции четыре этапа
ОС оперируют

такими понятиями и концепциями, как
Системные вызовы
Прерывания
Исключения
Файлы
Процессы и нити
ОС может быть построена на основе:
Монолитного ядра
Слоеной архитектуры
Виртуальных машин
Микроядерной архитектуры
Смешанной архитектуры
Существует несколько классификаций ОС

этой лекции?

ПО Вы знаете?
Каковы основные точки зрения на то, что

такое ОС?
Какие этапы (и сколько) прошли вычислительные системы своей эволюции?
Перечислите основные концепции и понятия ОС?
Какие архитектуры ОС Вы знаете?
По каким критериям можно классифицировать ОС?
Какие семейства ОС Вы знаете?