Операционные системы – основной компонент системного ПО

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам. Это деление процедур на три слоя показано на рисунке 2.2.

Примечание. Источник: [2, с.37, таблица 2].

Рисунок 2.2. Простая структуризация монолитной ОС

2.2.2  Слоеные (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. В системах, имеющих многоуровневую структуру было нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требовало хорошего знания операционной системы и массы времени. Когда стало ясно, что операционные системы живут долго и должны иметь возможности развития и расширения, монолитный подход стал давать трещину, и на смену ему пришла модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

2.2.3. Виртуальные машины

В первом разделе говорилось о взгляде на операционную систему как на виртуальную машину, когда пользователю нет необходимости знать детали внутреннего устройства компьютера.

Существует несколько другой подход. Пусть операционная система реализует виртуальную машину для каждого пользователя. При этом каждая такая виртуальная машина предстает перед пользователем как абсолютно голое железо копия всего hardware в вычислительной системе, включая процессор, привилегированные и непривилегированные команды, устройства ввода-вывода, прерывания и т.д. При попытке обратиться к этому виртуальному железу на уровне привилегированных команд, в действительности происходит системный вызов реальной операционной системы, которая и производит все необходимые действия. Такой подход позволяет каждому пользователю загрузить свою собственную операционную систему на виртуальную машину и делать с ней все, что он желает (рисунок 3).

Примечание. Источник: [I, 5, с. 29, рисунок 1.3].

Рисунок 3. Вариант виртуальной машины

Первой реальной системой такого рода была система CP/CMS  или VM/370, как ее называют сейчас, для семейства машин IBM/370.

Недостатком таких операционных систем является снижение эффективности виртуальных машин по сравнению с реальной машиной, и, как правило, они очень громоздки. Преимуществом - использование на одной вычислительной системе программ, написанных для разных операционных систем.

2.2.4. Микроядерная архитектура

Современная тенденция в разработке операционных систем это перенесение значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью. Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро (рисунок 4).

Примечание. Источник: [5, с.30, рисунок 1.4].

Рисунок 4. Микроядерная архитектура операционной системы

Основное достоинство микроядерной архитектуры высокая степень модульности ядра ОС. Это существенно упрощает добавление в него новых компонент. В микроядерной ОС можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонент ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра ОС ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. В то же время, микроядерная архитектура ОС вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что существенно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная ОС по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных ОС необходимость очень аккуратного проектирования.

2.2.5. Смешанные системы

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои преимущества и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов.

Примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляется монолитным ядром. Данный подход возник в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.

Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Хотя Windows NT часто называют микроядерной ОС, это не совсем так. Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений. В тоже время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно ОС с монолитным ядром. Кроме того, в Windows NT существует разделение между режимом ядра и режимом пользователя. Причина всего этого проста. По мнению Microsoft: чисто микроядерный дизайн коммерчески непрактичен, так как слишком неэффективен.

Таким образом, Windows NT можно с полным правом назвать гибридной операционной системой. [I, 9]

3. КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ОБЗОР НАИБОЛЕЕ ПОПУЛЯРНЫХ

Операционная система выполняет множество функций, которые обычно группируются в соответствии с видом ресурса, которым управляет ОС, либо со специфической задачей, применимой ко всем видам ресурсов.

Можно выделить следующие функции современной операционнной системы: управление процессами, управление памятью, управление файлами и внешними устройствами, защита данных и администрирование, интерфейс прикладного программирования, пользовательский интерфейс. По тому, какие из вышеперечисленных функций реализованы и каким было уделено больше внимания, системы можно разделить на несколько классов. (Приложение 1)

Классификацию можно провести также и по популярности.

3.1. MS Windows

3.1.1. Windows Millennium Edition

Windows Millennium Edition (Mе) представляет собой упрощенную операционную систему, ориентированную на домашнего пользователя и отвечающую требованиям, которые последний обычно предъявляет к современному персональному компьютеру, таким как возможность использования офисных приложений, упрощенные средства настройки сетевого доступа и доступа в Интернет, возможность играть в современные компьютерные игры, поддержка мультимедиа (например, редактирование видеофрагментов, прослушивание MP3-файлов и т.д.). Однако эта ОС по-прежнему базируется на ядре 9x, использовавшемся в Windows 95 и Windows 98, – это ядро требует небольшого количества оперативной памяти, что позволяет выделить большую часть ресурсов компьютера на обслуживание приложений. Windows Mе – последняя из версий Windows, основанных на этом ядре, поскольку поддержка старых DOS-приложений сегодня уже неактуальна. [I, 3]

Наиболее заметными особенностями Windows Me по сравнению с ее предшественниками стали утилита System Restore, возвращающая операционную систему в первоначальное состояние после неудачной переконфигурации или установки программного обеспечения, System File Protection – средство защиты от удаления более 800 системных файлов, средства автоматического обновления операционной системы через Интернет, упрощенные средства настройки домашней сети и доступа в Интернет (Home Networking Wizard), а также некоторые улучшения пользовательского интерфейса, такие как разворачивающиеся меню, более удобный интерфейс диалоговых окон, автоматическое распознавание популярных форматов сжатых файлов. В этой ОС есть также средства поддержки FireWire: стандарта подключения внешних устройств, позволяющего передавать данные с высокой скоростью, что делает его идеальным для передачи видеоданных; средства редактирования видеоданных Movie Maker и средства подключения к компьютеру цифровых камер. Новая версия Media Player, входящая в эту ОС, позволяет проигрывать файлы MP3 и звуковые CD.

Для эксплуатации Windows Me требуется как минимум 64 Mбайт оперативной памяти, хотя настоятельно рекомендуется иметь 128 Мбайт или выше. Рекомендуется также наличие жесткого диска большого объема (от 10 Гбайт). [II, 7]

К тому же, будучи неплохим решением для домашнего пользователя, Windows Me вовсе не является идеальным вариантом для офисных нужд – стоимость перехода на нее с весьма популярной до сих пор Windows 98 в случае большого количества рабочих мест оказывается довольно высокой из-за необходимости обновления рабочих станций, при том что большинство типичных офисных и корпоративных приложений может с равным успехом эксплуатироваться в обеих операционных системах. Исключение могут составить немногочисленные компании, использующие большое число приложений, оперирующих мультимедиаданными.

3.1.2. Windows NT

Целью компании Microsoft было завоевание не только рынка операционных систем для конечных пользователей, но и части рынка серверных операционных систем, на котором доминировали Novell, Sun и производители коммерческих версий UNIX. Windows NT, первая полностью 32-разрядная ОС семейства Windows, стала первым шагом в этом направлении. Наиболее широко использовалась ее версия 4.0, существовавшая в редакциях Server и Workstation. [I, 9]

В то время как домашние пользователи готовы были пожертвовать стабильностью и надежностью используемой ими ОС ради поддержки широкого спектра устройств и функциональности, необходимой для игр и иных домашних развлечений, корпоративным пользователям требовались надежность и средства защиты данных. Это означало, что в случае использования традиционного для корпоративных пользователей набора деловых приложений (офисные приложения, корпоративная информационная система и др.) в условиях, когда обновление аппаратной части и подключение новых устройств производится редко, Windows NT Workstation была наилучшим выбором. Гибкость этой ОС с точки зрения поддержки подключения новых устройств и выполнения приложений мультимедиа была не слишком высока.

3.1.3. Windows 2000

Windows 2000 стала очередным шагом в эволюции Windows NT. Эта ОС, существующая в виде четырех различных версий (Professional, Server, Advanced Server, Datacenter Server), сочетала в себе надежность Windows NT с некоторой гибкостью, присущей операционным системам семейства Windows 9x, и позиционировалась как ОС для корпоративных пользователей, в среде которых она довольно быстро завоевала популярность. Сейчас это самая популярная операционная система семейства Windows в корпоративном секторе.

Обладающая меньшей поддержкой «развлекательных» и «бытовых» средств, нежели Windows Mе, эта ОС оказалась наилучшим выбором для многих компаний и домашних пользователей благодаря своей надежности, высокой производительности (достигнутой за счет изменений в системе управления памятью), средствам защиты файлов от удаления, удобным средствам настройки сетевого доступа. Нужно отметить также поддержку стандарта Plug and Play, упрощающую подключение нового оборудования (хотя список поддерживаемых устройств для Windows 2000 существенно короче, чем соответствующий список для Windows 98/Me), а также великолепную поддержку ноутбуков, ставших к тому времени весьма популярным типом компьютеров для корпоративных пользователей, в частности поддержку контроля питания и электроснабжения для устройств, поддерживающих интерфейс ACPI (Advanced Configuration and Power Interface). [I, 11]