Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

–

111

–

специализированные программы - “крэкеры” для блокировки встроенных

ограничений или конкретные ключи, ввод которых обеспечивает нормальное

функционирование программ, однако следует помнить, что их использование

нарушает авторские права разработчиков и законных распространителей этого

ПО.

Некоторые разработчики программного обеспечения (donationware)

предоставляют свои продукты в бесплатное пользование и при этом указывают

реквизиты для необременительной по размеру добровольной

оплаты.

В ряде случаев производители бесплатно предоставляют пробные версии

коммерческих пакетов (trialware), которые полностью работоспособны в

течение определенного периода времени.

Близкими по статусу являются “рекламно-оплачиваемые” программы

(adware), бесплатный статус которых обеспечивается в процессе использования

подобных программ наличием на экране дисплея пользователя встроенной в

них рекламы.

По данным компании IDC в 2002 г. рост

объема продаж ПО в мире

составил около 1,5 %; предполагается, что в 2003 г. рост составит около 4%.

Наибольший объем приходится на операционные системы и ПО для бизнеса.

Предполагается, что в ближайшие несколько лет быстрее всего будет расти

спрос на средства разработки программных продуктов - в среднем на 11,5 % в

год. Следует отметить, что в перечне

стран с наибольшим уровнем

используемого нелегального (пиратского) программного обеспечения по

сообщениям зарубежной прессы лидируют: 1. Вьетнам – 95 % от всего объема

используемого ПО; 2. Китай; …; 5. Россия.

3.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Прообразом современных операционных систем (ОС) явились ранние

системы пакетной обработки, основным назначением которых была не

собственно обработка данных, а управление вычислительным процессом. Для

реализации систем пакетной обработки потребовалось разработать

формализованный язык управления заданиями, который позволял

программисту указать оператору и системе необходимый порядок выполнения

конкретных операций на вычислительной машине. Директивы языка

управления заданиями определяли начало выполнения определённой работы

(задания), вызов транслятора для преобразования программы с языка

программирования высокого уровня в машинные команды, вызов загрузчика,

определение начала и конца размещения обрабатываемых данных и др.

Оператор формировал пакет заданий, которые затем автоматически

запускались на выполнение специальной управляющей программой –

монитором. В тот период времени

(50-е годы) пакет заданий представлял собой

–

112

–

набор перфокарт, впоследствии перфокарты как носители информации были

вытеснены магнитными лентами. Монитор также самостоятельно обрабатывал

аварийные ситуации, часто возникающие при работе вычислительной машины,

в том числе, деление на ноль, обращение по несуществующим адресам,

отсутствие данных.

Использование ранних систем пакетной обработки значительно повысило

эффективность использования вычислительных машин благодаря

автоматизации управлением организацией вычислительного

процесса. Однако,

при пакетной обработке заданий программисты, разрабатывающие эти задания

на языках высокого уровня (АЛГОЛ, Фортран, Кобол и др.), были лишены

возможности непосредственного доступа к вычислительной машине (т.е. им не

был доступен интерактивный режим работы за пультом машины), что снижало

общую эффективность работы.

Важный период развития ОС пришёлся на

период середины 60-х годов до

середины 70-х. Этому способствовал переход от использования транзисторов в

качестве технической базы вычислительных машин к применению

интегральных микросхем, что привело к разработке нового поколения

компьютеров со сложной архитектурой, в том числе, знаменитой IBM 360. В

этот период были разработаны практически все основные механизмы,

характерные для современных ОС:

•

мультипрограммирование;

• мультипроцессирование;

• поддержка многотерминального многопользовательского режима;

• виртуальная память;

• файловые системы;

• разграничение доступа;

• сетевая работа и др.

В условиях резкого увеличения возможностей компьютера по обработке и

хранению данных выполнение только одной программы в каждый момент

времени стало крайне неэффективным (основная часть оборудования

компьютера при этом

практически простаивала). Для повышения

эффективности использования компьютера было найдено решение в виде

мультипрограммирования, представляющего собой способ организации

вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера одновременно

находились несколько параллельно выполняемых программ.

Мультипрограммирование реализуется в двух вариантах. В

мультипрограммном пакетном режиме (первый вариант) процессор не

простаивал, пока программа выполняла операции ввода-вывода (как

в системах

ранней пакетной обработки), а переключался на другую программу. В

результате такого подхода достигалась более сбалансированная загрузка

–

113

–

различных устройств компьютера, а, следовательно, увеличивалось общее

число задач, решаемых за период времени.

Значительно большую эффективность обеспечил режим

мультипрограммирования в системах с разделением времени. Он изначально

был ориентирован на многотерминальные системы, в которых каждый

пользователь работал за отдельным терминалом с ощущением

непосредственного взаимодействия с компьютером. В этом режиме для каждой

решаемой

задачи периодически выделялся небольшой временной интервал

процессорного времени, что создавало у пользователя иллюзию монопольного

владения ресурсами компьютера.

Следует отметить, что многотерминальный режим впоследствии был

также реализован и в системах пакетной обработки с целью обеспечения всем

пользователям возможности формирования своих заданий и управления их

выполнением непосредственно со своего терминала. При этом

терминалы

могли находиться и на большом расстоянии от процессоров, соединяясь с ними

с помощью модемов через телефонные сети или через выделенные каналы.

Поддержка удалённого режима работы осуществлялась с помощью

специализированных программных модулей в составе ОС, реализующих

протоколы связи. Такие операционные системы стали называть системами

удалённого ввода заданий. Именно они послужили прообразом

сетевых

операционных систем.

В этот период времени ОС стали неотъемлемой частью компьютера,

расширяющей его аппаратно реализованные функции и реализующей большую

часть действий по организации вычислительного процесса. В свою очередь,

поддержка эффективного режима мультипрограммирования потребовала

внесения ряда изменений в аппаратуру компьютера. Это было необходимо для

обеспечения быстрого переключения процессора для выполнения

очередного

задания, а также защиты кодов программ и данных от изменений со стороны

других выполняемых программ. Результатом внесения существенных

изменений в аппаратуру компьютеров стало:

• появление привилегированного и пользовательского режима работы

процессоров. В привилегированном режиме, который мог использоваться

только программными модулями ОС, процессор мог выполнять любые

команды, в том числе команды

, предназначенные для распределения и защиты

ресурсов компьютера (в пользовательском режиме эти команды недоступны).

Благодаря этому только ОС управляла аппаратными средствами компьютера и

выполняла роль монитора и арбитра при распределении ресурсов между

несколькими пользовательскими программами (их работа осуществлялась в

пользовательском режиме);

• появление развитой системы прерываний, позволяющей

информировать систему (процессор) о

необходимости обработки запросов на

–

114

–

обслуживание со стороны любых устройств, входящих в состав компьютера.

Подобное решение позволило обеспечить параллельную работу многих

устройств, в том числе каналов ввода-вывода, накопителей на магнитных

дисках, принтеров и др.

С этого периода аппаратная поддержка функционирования ОС стала

основой любых компьютерных систем, включая и персональные компьютеры.

Накопленный практический опыт разработки и

эксплуатации

компьютерных систем позволил перейти к созданию семейств программно-

совместимых компьютеров и ОС для них. Известными примерами того периода

явились семейства программно-совместимых машин серий IBM 360 и IBM 370

(отечественные аналоги – машины серии ЕС), PDP-11 (соответственно СМ-3,

СМ-4), а среди ОС – операционная система OS 360.

Первые сетевые ОС появились в начале 70-х годов. В отличие от

многотерминальных ОС они позволяли снять не только ограничения на

расположение пользователей, но и организовать распределённое хранение и

обработку данных между связанными друг с другом компьютерами. Любая

сетевая ОС имеет все средства, реализованные в локальной ОС, а также и

специализированные средства, предназначенные для взаимодействия по сети с

ОС других компьютеров. Следует

отметить, что специализированные

программные модули сетевых ОС развивались постепенно по мере

совершенствования аппаратной базы компьютеров и усложнения сетевых

технологий. Существенные фундаментальные результаты в рамках организации

сетевого взаимодействия были достигнуты в процессе реализации проекта

Министерства обороны США по объединению суперкомпьютеров оборонных и

научно–исследовательских центров в единую сеть ARPANET, послужившую

основой для последующего

развития глобальной сети Интернет.

Для сетевых технологий знаменательным оказался 1974 год, когда

компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры SNA для

производимых ею мэйнфреймов (больших вычислительных машин), а в Европе

протоколы X.25 для создания и стандартизации сетей получили статус

международного стандарта (протокол X.25 широко используется при

построении глобальных сетей и в настоящее время). Многоуровневая

архитектура ОС SNA (во многом схожая со стандартной моделью сетей OSI)

обеспечивала взаимодействие типа “терминал-терминал”, “терминал-

компьютер” и “компьютер-компьютер” в рамках глобальных сетей. Нижние

уровни архитектуры сети реализовывались аппаратными средствами, верхние –

программными средствами.

Характерной особенностью сетей на основе протоколов X.25 с

коммутацией пакетов является отсутствие привязки к конкретному типу ОС,

что

обеспечило их последующую поддержку многими ОС (в том числе ОС

SNA).

–

115

–

В связи с широким распространением к середине 70-х годов, наряду с

мэйнфреймами и мини-компьютеров (особенно типа PDP-11) с упрощённой

архитектурой, появился ряд вариантов более простых ОС с усечёнными по

сравнению с многопользовательскими мультипрограммными ОС функциями.

В ряде случаев создавались специализированные ОС, например для управления

объектами в реальном времени (ОС RT-11 для компьютеров

PDP-11).

С середины 70-х годов началось массовое распространение ОС UNIX.

Изначально она создавалась как ОС поддержки режима разделения времени для

мини-компьютера PDP-7. Её программный код практически полностью был

написан на языке высокого уровня С, что при наличии эффективных С-

компиляторов (программ преобразования с языка С непосредственно в команды

процессора) позволило сравнительно легко

переносить ОС UNIX на различные

типы компьютеров (с различными типами процессоров). Кроме того, ОС UNIX

стала первой открытой операционной системой, её исходные коды (команды)

поставлялись вместе с самой ОС, что позволяло, при необходимости, вносить в

неё дополнения (изменения) с целью реализации в ОС дополнительных

функциональных возможностей. В дальнейшем высокие эксплуатационные

качества ОС UNIX: широкие

функциональные возможности, гибкость,

открытые коды – обусловили её быстрое распространение на все классы

компьютеров (суперкомпьютеров, мэйнфреймов, мини-компьютеров,

персональных компьютеров).

В период 80-х годов на развитие ОС значительное влияние оказало

принятие семейства протоколов TCP/IP в качестве стандарта для разнородных

вычислительных систем, становление сети Интернет, стандартизация

технологий локальных вычислительных сетей и массовое распространение

персональных компьютеров. Благодаря внедрению протоколов TCP/IP новые

многочисленные версии ОС семейства UNIX создавались как сетевые

операционные системы. В этих версиях реализовывались стремления

разработчиков адаптировать (по возможности и оптимизировать) код ОС под

особенности аппаратуры компьютеров определённых архитектурных решений.

Соответственно возникла проблема совместимости версий в рамках единого

семейства UNIX.

ОС для персональных компьютеров с учётом индивидуального

использования компьютера в процессе работы пользователя не имели средств

поддержки мультипрограммирования. Так, первая версия популярной MS-DOS

компании Microsoft была однопрограммной однопользовательской ОС,

обеспечивающей взаимодействие с пользователем через командную строку.

Система могла запускаться даже с одной дискеты и обеспечивала управление

файлами, находящимися на винчестере и дискете, а также запуск необходимых

программ. Для улучшения

пользовательского интерфейса использовались

дополнительные программы, например, операционная оболочка Norton

–

116

–

Commander. В дальнейшем огромную роль для развития программного

обеспечения для персональных компьютеров сыграла операционная среда

Windows компании Microsoft, явившаяся надстройкой над ОС MS-DOS. В

версии 3.1 ОС Windows появились минимальные средства поддержки

многопользовательского режима работы, обеспечивающего блокировку файлов

и записей при доступе к файлу нескольких пользователей. Благодаря этим

функциям сетевые оболочки обеспечивали режим разделения файлов между

сетевыми пользователями. Это направление реализации сетевых функций через

создание сетевых оболочек над локальными ОС поддерживали в тот период

практически все производители операционных систем.

Компания Nowell изначально начала разрабатывать ОС с встроенными

сетевыми функциями. Её сетевая ОС NetWare на многие годы стала образцом

надёжной, производительной, защищённой операционной системы для

локальных вычислительных сетей. Благодаря

ориентации на использование в

качестве ОС центрального сервера локальной вычислительной сети NetWare

обеспечивала максимально возможную скорость удалённого доступа к файлам

(реализовывался режим “файл–сервер”) и поддержку режима удалённого

доступа, обеспечивающего доступ пользователя (при наличии

соответствующих прав) в локальную сеть через Интернет. Однако

использование ОС NetWare исключало возможность работы пользователя

непосредственно за сервером (

т.е. требовался отдельный компьютер для

выполнения функций сервера).

К концу 80-х годов совместно специалистами Microsoft и IBM была

разработана первая многозадачная операционная система OS/2 для

персонального компьютера (с процессором Intel 80286). Эта 32-разрядная ОС

по многим параметрам превосходила существующие 16-разрядные версии

Windows. Она изначально поддерживала защищённый режим работы,

виртуальную память, мультизадачность, графический пользовательский

интерфейс (не

с первой версии ОС), обладала расширенными возможностями

поддержки мультимедиа. Однако несомненные достоинства OS/2 требовали

значительных вычислительных ресурсов. К тому же, специалисты Microsoft и

IBM видели отличающиеся друг от друга пути последующего развития этой

системы. В результате специалисты Microsoft переделали OS/2 в Windows NT, а

в IBM в дальнейшем перестали уделять должное внимание последующему

развитию OS/2.

Помимо перечисленных систем следует

также отметить ОС MacOS,

предназначенную для установки на компьютеры Macintosh корпорации Apple.

Именно в ней впервые появился удобный графический интерфейс, простые в

использовании средства настройки, поддержка работы мыши, видео, звука,

цветной печати и др. Уже в начале 80-х годов компьютеры Macintosh с ОС

MacOS уверенно работали с мощными графическими пакетами. И в настоящее

–

117

–

время по стабильности, рациональности использования ресурсов компьютера и

удобству работы пользователей MacOS превосходит другие операционные

системы. Одним из главных направлений использования компьютеров

Macintosh с ОС MacOS является допечатная подготовка бумажной продукции:

книг, журналов, газет и др. Широко распространенные профессиональные

пакеты типа Adobe Photoshop, Adobe PageMaker, Adobe Illustrator изначально

создавались для работы в среде MacOS. В настоящее время все популярные

офисные

и графические пакеты поддерживаются как PC-подобными

компьютерами, так и “Маками”.

В 90-е годы практически все известные ОС являлись сетевыми. Сетевые

функции современных ОС встраиваются непосредственно в ядро

операционных систем. В ОС, как правило, одновременно используются

несколько разнотипных протоколов передачи, что позволяет компьютерам

параллельно взаимодействовать с разнородными клиентами и серверами.

Значительное

внимание производителей операционных систем уделялось

усилению поддержки средств работы со службами сети Интернет.

Во многом компьютер из устройства обработки данных превратился в

средство коммуникации с развитыми вычислительными возможностями. Для

поддержки глобальных сетей даже разрабатывались специализированные ОС,

например, сетевая операционная система IOS компании Cisco System,

ориентированная на использование в составе маршрутизаторов.

Значительное внимание в последнее

десятилетие уделялось усилению

возможностей сетевых ОС корпоративного уровня (корпоративным ОС). К ним

предъявляются высокие требования по способности функционировать в

гетерогенной среде (с разнотипными аппаратными и программными

средствами), по возможности масштабирования её структуры (изменения её

сложности), по обеспечению требуемого уровня безопасности (в связи с

повышением уровня угроз при передаче сообщений по

сетям), по наличию

развитых средств централизованного администрирования и управления (для

хранения в единой базе данных учётных сведений о всех пользователях,

используемом оборудовании и программном обеспечении).

Особое внимание разработчики уделяют расширению возможности

интерактивной работы с компьютером путём включения в систему развитых

графических интерфейсов, использующих наряду с графикой звук и видео.

В последние

годы среди корпоративных операционных систем наиболее

популярными являются:

• ОС семейства Windows: Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP;

• ОС семейства NetWare (версии 4.Х и 5.0);

• UNIX-подобные системы (Linux, FreeBSD, OpenBSB, Solaris и др.).

В целом ОС компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных

программ, действующий в качестве интерфейса (связующего звена) между

–

118

–

приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера

с другой стороны. Считается, что на самом общем уровне ОС выполняет три

группы функций:

• обеспечивает пользователю полноценный удобный интерфейс

взаимодействия с компьютером, скрывая при этом от пользователя ненужные

ему особенности реализации аппаратных и программных средств;

• реализует среду для функционирования

пользовательских

приложений;

• повышает эффективность использования компьютера путём

рационального управления его ресурсами.

В общем случае операционная система включает следующие

компоненты:

• загрузочную подсистему, проверяющую состояние различных

устройств компьютера после включения питания и загружающую в

оперативную память компьютера содержимое основных файлов ОС (ее

резидентную часть);

• файловую подсистему, обеспечивающую возможность создания

файлов и манипулирования ими (удаление, перемещение, копирование,

изменение содержимого и др.);

• подсистему управления внешними устройствами, служащую для

организации взаимодействия процессора с внешними устройствами;

• процессор командного языка – часть операционной системы (ядро),

отвечающей за распознавание и преобразование в машинные коды вводимых

пользователем команд (обычно команды представляют собой сокращения

английских слов или

аббревиатуру нескольких слов);

• интерфейсную подсистему – удобную оболочку, обеспечивающую

легкость общения пользователя с компьютером. Удобный интерфейс снимает

необходимость знания пользователем устройства компьютера, в том числе

команд процессора.

Современный компьютер с определённым набором конкретных команд

предстаёт перед пользователем в качестве виртуальной машины с множеством

мощных функций высокого уровня типа записи-чтения

файлов, вывода

результатов обработки данных на печать, запуска определённых программ и др.

Такую виртуальную машину легче программировать и с ней легче работать,

чем с входящей в состав компьютера аппаратурой.

С другой стороны, ОС реализует механизм распределения ресурсов

компьютера, таких как процессоры, основная память, различного рода

накопители, сетевые устройства и др.; имеющиеся

ресурсы распределяются

между процессами (под процессом понимается программа в стадии

выполнения). В отличие от хранящейся программы, представляющей собой

статический объект (файл с кодами команд и данными), процесс является

–

119

–

динамическим объектом, возникающим в операционной системе только при

решении пользователя или самой ОС запустить программу на выполнение.

Мультипрограммная ОС осуществляет одновременно выполнение нескольких

процессов на одном компьютере, поочерёдно переключая процессор между

различными процессами. Она выявляет и разрешает конфликты при обращении

нескольких процессов к одним и тем же ресурсам (устройствам и данным

Эффективность управления оценивается по различным критериям; в ряде

случаев наибольший интерес представляет пропускная способность

вычислительной системы, в других случаях – время реакции системы.

Управление ресурсами предполагает решение ряда задач:

• планирование ресурса (какому процессу, когда и в каком количестве

следует выделить конкретный ресурс);

• удовлетворение запросов на выделение ресурсов;

• отслеживание

состояния и учёт использования каждого из ресурсов;

• разрешение конфликтов между процессами за обладание ресурсами.

Сложность организации эффективного совместного использования

ресурсов несколькими процессами во многом объясняется случайным

характером возникновения запросов на потребление этих ресурсов.

Часто группы близких по содержанию функций называют подсистемами

(в рамках ОС). Наиболее важными подсистемами управления ресурсами

являются:

• подсистема управления процессами. Планирует выполнение

процессов (т.е. распределяет процессорное время между несколькими

выполняемыми процессами), обеспечивает процессы необходимыми

системными ресурсами и организует их взаимодействие (при необходимости);

• подсистема управления памятью. Отслеживает свободные и занятые

области памяти, выделяет память процессам, защищает необходимые области

памяти;

• подсистема управления файлами и внешними

устройствами.

Обеспечивает (ещё со времени появления ОС UNIX) поддержку

унифицированного интерфейса по доступу к разнородным устройствам ввода-

вывода на основе концепции файлового доступа. При этом обмен с любым

внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя, и

представляющим собой неструктурированную последовательность байтов;

• подсистема защиты данных и администрирования. Безопасность

данных

в системе обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС,

ориентированными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок

программного обеспечения, а также средствами защиты от

несанкционированного доступа. Администрирование задаёт права

пользователей при обращении к различным ресурсам системы (файлам,

каталогам, принтерам и др.). В состав ОС обычно входят утилиты,

–

120

–

позволяющие выполнять регулярно операции резервного копирования для

обеспечения быстрого восстановления необходимых данных;

• подсистема пользовательского интерфейса. За терминалом может

работать программист, системный администратор или пользователь. Для любой

категории работающих с компьютером наиболее удобен ввод команд через

Windows-подобный графически интерфейс. Для программистов возможности

ОС доступны также в виде набора функций, называемого

интерфейсом

практического программирования (Application Programming Interface – API). ОС

с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API,

обеспечивают возможность переноса приложений из одной операционной

системы в другую. Вызов конкретных функций API из приложений

осуществляется аналогично вызову программы.

В целом, современные ОС должны обладать следующими

возможностями:

• поддерживать многооконный графический интерфейс пользователя,

позволяющий одновременно отображать на экране

состояние нескольких

объектов (процессов);

• осуществлять мультипрограммную обработку данных с параллельным

выполнением многих процессов;

• работать с виртуальной памятью, обеспечивая доступ практически к

любому адресному пространству вне зависимости от физического

расположения программ и данных;

• позволять вносить изменения в коды ОС с целью улучшения её

функциональных возможностей (характерный пример – ОС UNIX)

без

нарушения целостности системы. Расширяемость обеспечивается за счёт

модульной структуры ОС;

• обладать свойством переносимости на аппаратные платформы

различных типов (т.е. на процессоры различных семейств);

• обладать совместимостью с другими популярными ОС, что позволяет

выполнять приложения в различных операционных системах;

• характеризоваться высокой надёжностью и отказоустойчивостью. Это

обеспечивает защиту как

от внутренних, так и внешних ошибок, сбоев и

отказов. Эти свойства определяются, в первую очередь, архитектурными

решениями ОС и качеством её реализации;

• иметь средства защиты вычислительных ресурсов от

несанкционированного доступа, что особенно важно для сетевых ОС;

• характеризоваться высокой производительностью, проявляющейся в

быстродействии системы и малом времени реакции на

события в системе;

• иметь средства поддержки служб сети Интернет и др.

Современные ОС представляют собой хорошо структурированные

модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые