Эволюция операционных систем

y">       Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.

       Операционная система изолирует аппаратное обеспечение компьютера от прикладных программ пользователей. И пользователь, и его программы взаимодействуют с компьютером через интерфейсы операционной системы.

 

3 Эволюция и классификация ОС

 

       Эволюция ОС во многом обусловлена совершенствование аппаратной базы ЭВМ.

       Программирование ламповых вычислительных устройств, ориентированных на решение специализированных прикладных задач, выполнялось на машинном языке (языке программирования, представляющем программу в форме, позволяющей непосредственно выполнять ее техническими средствами обработки данных). Организация вычислительного процесса в этом случае осуществлялась обслуживающим персоналом вручную с пульта управления. ОС для этих ЭВМ практически отсутствовали.

       Компьютеры, построенные на полупроводниковых элементах, стали более компактными, надежными и применялись при решении более широкого класса прикладных задач. Появились первые алгоритмические языки, компиляторы (компиляторы - программы, используемые для компиляции - перевода написанной на алгоритмическом языке программы на язык, близкий к машинному) и системы пакетной обработки. Эти системы явились прообразом современных ОС. Основное их назначение - увеличение загрузки процессора.

       Переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам сопровождался созданием семейств программно-совместимых машин, например, семейства IBM/360, EC ЭВМ. ОС этих компьютеров ориентировались на обслуживание вычислительных систем с разнообразными периферийными устройствами и в различных областях деятельности. Особенностью таких ОС стало мультипрограммирование - способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько приложений. Например, пока одно приложение осуществляет операции ввода-вывода, процессор выполняет вычислительные операции другого. Образовался новый тип ОС - системы разделения времени, которая позволяет создать для каждого пользователя иллюзию единоличной работы с компьютером. Появление больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) обеспечило широкое распространение компьютеров и их использование неспециалистами в области программирования. Это потребовало разработки дружественного, интуитивно понятного программного интерфейса. Развитие средств коммуникаций обусловило развитие сетевых ОС.

       К современным ОС предъявляются следующие требования:

       совместимости - ОС должна включать средства для выполнения приложений, подготовленных для других ОС;

       переносимости - обеспечение возможности переноса ОС с одной аппаратурной платформы на другую;

       надежности и отказоустойчивости - предполагает защиту ОС от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов;

       безопасности - ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других;

       расширяемости - ОС должна обеспечивать удобства внесения последующих изменений и дополнений;

       производительности - система должна обладать достаточным быстродействием.

       Классификация ОС. Обычно общение пользователя с машиной протекает в интерактивном режиме. При этом темп решения задачи определяется реакцией пользователя. Если принять время реакции пользователя постоянным, то можно считать, что сложность задачи ограничивается быстродействием технических средств (при необходимости оно повышается экстенсивными методами: применением более быстродействующей элементной базы, использованием многопроцессорных или многомашинных систем). Но это односторонний подход. Огромные возможности таятся в организационных мероприятиях, к которым относится выбор оптимальных режима работы и дисциплин обслуживания; и то и другое реализуется операционными системами.

       Режимы работы ПЭВМ в первую очередь определяются количеством задач, параллельно решаемых на машине (реализуемых программ). По этому признаку ОС разделяются на многозадачные и однозадачные, поддерживающие и не поддерживающие многонитевую обработку, многопользовательские и однопользовательские, на многопроцессорные и однопроцессорные.

       По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС:

       однозадачные ОС (MS-DOS, ранние версии PS DOS);

       многозадачные (OS/2, UNIX, Windows).

       Однозадачные ОС предоставляют пользователю виртуальной машины и включают средствами управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС дополнительно управляют разделением между задачами совместно используемых ресурсов. Среди вариантов реализации многозадачности выделяют две группы алгоритмов распределения процессорного времени:

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3. x и 9. х);

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

       В первом случае активный процесс по окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого процесса. Во втором - решение о переключении процесса с одного процесса с одного процесса на другой принимает не активный процесс, а ОС.

       Поддержка многонитевости предполагает возможность выполнения некоторых команд программы практически в один и тот же момент. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между отдельными ветвями (нитями) алгоритмов их решения (многозадачность внутри одной задачи).

       По числу одновременно работающих пользователей выделяют ОС:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3. x, ранние версии OS/2);

многопользовательские (UNIX, Windows NT).

       Отличием многопользовательских систем является наличие средств защиты информации пользователей от несанкционированного доступа.

       Многопроцессорная обработка предполагает поддержку работы нескольких процессоров и приветствует в ОС Solaris 2. x фирмы Sun, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft, NetWare 4.1. фирмы Novell и др.

       Многопроцессорные ОС делятся на асимметричные и симметричные. Асимметричная ОС выполняется на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричные ОС децентрализована и использует все процессоры, разделяя между ними системные и прикладные задачи.

       Очевидно, что ОС персонального компьютера менее сложна, чем ОС мэйнфреймов и суперЭВМ. Отличием сетевой ОС от локальной являются средства передачи данных между компьютерами по линиям связи и реализации протоколов передачи данных, например IP, IPX и др.

       Кроме ОС, ориентированных на определенный тип аппаратной платформы, существуют мобильные ОС, легко переносимые на разные типы компьютеров. В таких ОС (например, UNIX) аппаратно-зависимые места локализованы и при переносе системы на новую платформу переписываются. Аппаратно-независимая часть реализуется на языке программирования высокого уровня на языке С, и перекомпилируется при переходе на другую платформу.

       Динамическое перераспределение ресурсов ПЭВМ между несколькими задачами (способ коллективного пользования) обеспечивает либо сокращение суммарного времени решения нескольких задач, либо уменьшение времени начала обработки задачи. И то и другое при одном «обслуживающем приборе», например процессоре или принтере, достигается за счет увеличения времени решения одной (каждой) задачи. Порядок прохождения задач в машине определяет режимы реализации способа коллективного пользования: пакетной обработки и разделения времени. Пакетная обработка предполагает решение нескольких задач примерно в том же режиме, в каком работает преподаватель во время устного экзамена - его внимание занимает один из студентов. По завершении опроса внимание переключается на следующего (полагаем, что обслуживание студентов и есть решение задачи).

       В режиме разделения времени процесс выполнения программ разбивается на циклы. Внутри каждого цикла обязательно появляется (если она еще не решена) та базовая задача, для которой выделен данный цикл. Остальные задачи могут решаться в этом же цикле, если их решение не препятствует решению базовой. Соседние циклы выделяются для решения разных задач, поэтому существенно увеличивается время решения каждой из них. Вместе с тем на ожидание выполнения очередной части задачи затрачивается не более чем N-1 циклов (N - число разноименных циклов, выделенных для решения N различных задач). При соответствующем выборе длительности цикла у пользователя (из-за его инерционности) создается иллюзия работы в реальном масштабе времени. Работой в реальном масштабе времени называется режим работы, при котором существуют предельные ограничения на время решения задачи, накладываемые внешней средой. Для системы управления это означает, что обработка информации должна протекать со скоростью, превышающей скорость реально протекающего управляемого процесса, с тем, чтобы имелся определенный запас времени для принятия решений и формирования соответствующих управляющих воздействий.

       Для реальных условий работы характерно то, что моменты поступления задач на обработку определяются не темпом работы обслуживающего прибора (ПЭВМ, принтера и пр), а процессами, протекающими вне его. В соответствии с этим обслуживающий прибор должен решать определенную совокупность задач (реакция на сбои оборудования, заявка на связь в сети, принудительное создание резервной копии и т.д.).

       При конечном быстродействии обслуживающего прибора поступающие заявки не могут быть выполнены сразу, а становятся в очередь. Процесс выбора заявки из множества ожидающих обслуживания называется диспетчеризацией, а правило диспетчеризации - дисциплиной обслуживания. Дисциплин обслуживания много, например «в порядке поступления» (FIFO - First Input First Output), «в обратном порядке» (LIFO - Last Input First Output) и др. Для сокращения времени ожидания (времени пребывания в очереди) отдельным заявкам предоставляется преимущественное право на обслуживание, называемое приоритетом, который характеризуется целым положительным числом. Наивысший приоритет назначается ОС.

       Итак, при создании двоичных машинных программ прикладные программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор ее функций и сервисов, а также правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Можно сказать, что термин «операционная среда» означает соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к управляющей (супервизорной) части операционной системы с целью получить определенные сервисы.

       Системных функций бывает много, они определяют те возможности, которые операционная система предоставляет выполняющимся под ее управлением приложениям. Такого рода системные запросы (вызовы системных операций, или функций) либо явно прописываются в тексте программы программистами, либо подставляются автоматически самой системой программирования на этапе трансляции исходного текста разрабатываемой программы. Каждая операционная система имеет свое множество системных функций; они вызываются соответствующим образом, по принятым в системе правилам. Совокупность системных вызовов и правил, по которым их следует использовать, как раз и определяет интерфейс прикладного программирования (API). Очевидно, что программа, созданная для работы в некоторой операционной системе, скорее всего не будут работать в другой операционной системе, поскольку API у этих операционных систем различаются. Стараясь преодолеть это ограничение, разработчики операционных систем стали создавать так называемое программные среды. Программную (системную) среду следует понимать как некоторое системное программное окружение, позволяющее выполнить все системные запросы от прикладной программы. Та системная программная среда, которая непосредственно образуется кодом операционной системы, называется основной, естественной, или нативной (native). Помимо основной операционной среды в операционной системе могут быть организованы (путем эмуляции иной операционной среды) дополнительные программные среды. Если в операционной системе организована работа с различными операционными средами, то в такой системе можно выполнять программы, созданные не только для данной, но и для других операционных систем. Можно сказать, что программы создаются для работы в некоторой заданной операционной среде. Например, можно создать программу для работы в среде DOS. Если такая программа все функции, связанные с операциями с операциями ввода-вывода и с запросами памяти, выполняет не сама, а за счет обращения к системным функциям DOS, то она будет (в абсолютном большинстве случаев) успешно выполняться и в MS DOS, и в PS DOS, и в Windows 9x, и в Windows 2000, и в OS/2, и даже в Linux.

       Итак, параллельное существование терминов «операционная система» и «операционная среда» вызвано тем, что операционная система может поддерживать несколько операционных сред. Почти все современные 32-разрядные операционные системы, созданные для персональных компьютеров, поддерживают по нескольку операционных сред. Так операционная система OS/2 Warp, которая в свое время была одной из лучших в этом отношении, может выполнять следующие программы: