Стальнов А.Ф., Фомин А.И. Операционные системы. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

1) о проблемах, перспективах и тенденциях развития операционных

систем и системных программных средств ЭВМ АСОИУ;

2) об ОС перспективных образцов АСУ войсковой ПВО.

ЗНАТЬ:

1) стандарты разработки и реализации ОС и системного программного

обеспечения (СПО);

2) методические и нормативные материалы по проектированию, произ-

водству и сопровождению ОС и системного программного обеспечения

;

3) принципы построения и организацию современных операционных

систем и СПО, включая ЭВМ АСУ войсковой ПВО;

4) современные программные средства, модели и структуры ОС и СПО,

их классификацию;

5) системное программное обеспечение ЭВМ, применяемых в АСОИУ,

включая ЭВМ АСУ войсковой ПВО;

6) методы исследования ОС и СПО, включая методы анализа функцио-

нальных и

эксплуатационных характеристик ОС и СПО, а также оценки

их надежности и качества;

7) инструментальные средства разработки программного обеспечения в

современных операционных средах.

УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

1) системные программные средства, операционные системы и оболоч-

ки, обслуживающие сервисные программы, в том числе, применяемые в

ЭВМ АСОИУ;

2) методические материалы и программные средства по инсталляции,

настройке

и обслуживанию ОС и СПО;

3) методы и инструментальные средства анализа функциональных и

эксплуатационных характеристик операционных систем и системного про-

граммного обеспечения, а также оценки их надежности и качества;

4) методические и инструментальные средства по программированию в

современных операционных средах.

Дисциплина формирует

знания принципов построения операционных

систем и системного программного обеспечения, обслуживающих и сер-

висных программ, применяемых в ЭВМ АСОИУ, а также навыки их ис-

пользования в процессе эксплуатации систем вооружения.

Научной основой

дисциплиной являются положения теории систем и

системного анализа, теории множеств, теории графов и матричного ис-

числения, а также методы структурного и визуального программирования.

Обучение по дисциплине базируется на знаниях, полученных курсан-

тами при изучении дисциплин: “Информатика”, “Математика”, “Органи-

зация ЭВМ и систем”, “Программирование на языке высокого уровня”.

Дисциплина обеспечивает

изучение следующих дисциплин: “Методы и

средства защиты компьютерной информации”, “Сети ЭВМ и телекомму-

никации”, “Технологии в АСОИУ”, а также дипломное проектирование.

ГЛАВА 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1. Назначение, состав и основные функции операционных систем

и системного программного обеспечения

1.1. Назначение и состав системного программного обеспечения

Под программой понимают описание, воспринимаемое ЭВМ и доста-

точное для решения на ней определенной задачи. Для составления про-

грамм используют искусственные языки, называемые языками програм-

мирования.

Под программным обеспечением (ПО) в узком смысле понимается про-

сто совокупность программ. В широком смысле в ПО (наряду с програм-

мами) включают различные языки, процедуры, правила и документацию,

необходимые для использования и эксплуатации программных продуктов.

ПО ЭВМ по функциональному признаку традиционно делится на сис-

темное и прикладное.

Системное ПО

– это совокупность программ, описаний и инструкций,

предназначенных для автоматизации трудоемких этапов разработки алго-

ритмов и программ, а также для организации и контроля вычислительного

процесса на машине во время ее функционирования. Оно является необ-

ходимым дополнением к техническим средствам ЭВМ. Без системного ПО

(СПО) машина по сути безжизненна.

Прикладное ПО

представляет собой совокупность программ решения

конкретных задач из различных сфер применения.

В свою очередь СПО ЭВМ по функциональному признаку подразделя-

ется (рис. 1.1) на:

операционные системы (ОС);

сервисные системы;

инструментальные системы;

системы контроля и диагностики.

Системное программное

обеспечение

Операционые

системы

Сервисные

системы

Инструментальные

системы

Системы

контроля и

диагностики

Интерфейсные

системы

Оболочки ОС

Утилиты

Системы

программирования

Системы

управления

базами данных

Инструментарий

искусственного

интеллекта

Текстовые

редакторы

Интегрированные

системы

Рис. 1.1. Структура СПО

Операционные системы

являются неотъемлемым обязательным допол-

нением ПЭВМ. Операционная система – это комплекс управляющих и об-

рабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как ин-

терфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами,

а с другой – предназначен для наиболее эффективного использования ре-

сурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Любой из компонентов

прикладного программного обеспечения обяза-

тельно работает под управлением операционной системы.

Сервисные системы

расширяют возможности ОС, предоставляя поль-

зователю, а также выполняемым программам набор дополнительных ус-

луг.

По функциональному назначению сервисные системы делят на:

1) интерфейсные системы (interface), в основном, графического типа,

модифицирующие как пользовательский, так и программный интерфейс

ОС, а также иногда реализующие и дополнительные возможности по рас-

пределению ресурсов ЭВМ; вследствие этого

они считаются естественным

“продолжением” ОС;

2) оболочки (shell) ОС, модифицирующие только пользовательский ин-

терфейс, повышая уровень (главным образом за счет “меню” и использо-

вания функциональных клавиш), а также предоставляя дополнительные

возможности;

3) утилиты (utility) – специальные системные программы, с помощью

которых можно как обслуживать саму операционную систему, так и под-

готавливать носители данных, выполнять перекодирование данных, осу-

ществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить

некоторые другие работы, связанные с обслуживанием вычислительной

системы.

Инструментальные системы

предназначены для разработки ПО, хотя

часть из них может применяться и для решения прикладных задач. Инст-

рументальные системы часто называют системами программирования. Но

системы программирования обладают универсальностью, т.е. с их помо-

щью можно запрограммировать и решить любую задачу, допускающую

алгоритмическое решение. Инструментальные же системы часто являются

специализированными в том

смысле, что они служат для создания ПО оп-

ределенного функционального назначения.

Системы контроля и диагностики

предназначены для облегчения тес-

тирования оборудования и поиска неисправностей. Система контроля и

диагностики может быть разделена на три взаимосвязанные подсистемы:

подсистему контроля, подсистему диагностики и подсистему восстанов-

ления.

Подсистема контроля предназначена для контроля правильности

функционирования самой ЭВМ и связанных с ней периферийных уст-

ройств или элементов автоматизированной системы управления в

период

проведения функционального контроля.

Подсистема диагностики служит для поиска места отказа в аппаратуре

ЭВМ. Она включается в работу операционной системой сразу после обна-

ружения факта отказа аппаратуры подсистемой контроля или по командам

оператора. Подсистема диагностики обнаруживает место отказа с точно-

стью до типового элемента замены и выдает необходимые сведения об

этом

подсистеме восстановления работоспособности ЭВМ.

Подсистема восстановления работоспособности ЭВМ производит ав-

томатическое отключение неисправного устройства и передает его функ-

ции. Если возможно, другому устройству.

В ряде случаев подсистема контроля и диагностики не выделяется в от-

дельную систему, а входит в состав операционной системы.

1.2. Назначение и основные функции операционных систем

По определению ГОСТ 19781-83 под операционной системой понима-

ют систему программ, предназначенную для обеспечения определенного

уровня эффективности вычислительной системы за счет автоматизирован-

ного управления ее работой и предоставляемых пользователям определен-

ного рода услуг. Одну из особых категорий пользователей составляют

специалисты, которых интересуют не только услуги, предоставляемые

ОС, но и то, каким образом эти услуги реализуются. Такого рода знания

необходимы для успешного проектирования и эксплуатации как ЭВМ, так

и автоматизированных систем.

Проведенный анализ эволюционного развития ОС дает основание

предложить следующую трактовку определения ОС.

Операционная система

– это упорядоченная последовательность сис-

темных управляющих программ совместно с необходимыми информаци-

онными массивами, предназначенная для планирования исполнения поль-

зовательских программ и управления всеми ресурсами вычислительной

машины (программами, данными, аппаратурой, оператором и другими

распределяемыми и управляемыми объектами) с целью предоставления

возможности пользователям эффективно (в некотором смысле) решать за-

дачи, сформулированные в

терминах вычислительной системы.

Это определение не противоречит данному в ГОСТ.

По современным представлениям ОС должна уметь делать следую-

щее:

1. Обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную

память и их исполнение (этот пункт не относится к ОС, предназначенным

для прошивки в ПЗУ).

2. Обеспечивать управление памятью. В простейшем случае это указа-

ние единственной

загруженной программе адреса, на котором кончается

память, доступная для использования, и начинается память, занятая систе-

мой. В многопроцессных системах это сложная задача управления сис-

темными ресурсами.

3. Обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, таки-

ми как магнитные диски, ленты, оптические диски, флэш-память и т. д.

Как правило, ОС управляет

свободным пространством на этих носителях и

структурирует пользовательские данные в виде файловых систем.

4. Предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различ-

ным периферийным устройствам, таким как терминалы, модемы, печа-

тающие устройства или двигатели, поворачивающие антенны РЛС.

5. Предоставлять некоторый пользовательский интерфейс: часть систем

ограничивается командной строкой, в то время как другие

на 90% состоят

из интерфейсной подсистемы. Встраиваемые системы часто не имеют ни-

какого пользовательского интерфейса.

Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хо-

рошо известных систем такого типа – дисковая операционная система MS

DOS.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

6. Параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только

один процессор) исполнение

нескольких задач.

7. Организацию взаимодействия задач друг с другом.

8. Организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.

9. Защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, ис-

полняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных дейст-

вий пользователей и их программ.

10. Аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за

кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает

пользователь, имеет право выполнять ту или иную

операцию) и другие

средства обеспечения безопасности.

1.3. Основные понятия операционных систем

Операционная система выполняет функции управления вычислитель-

ными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вы-

числительной системы между различными вычислительными процессами

и образует программную среду, в которой выполняются прикладные про-

граммы пользователей. Такая среда называется операционной. В общем

случае операционная

среда означает интерфейс, необходимый програм-

мам для обращения к операционной системе с целью получить определен-

ный сервис – выполнить операцию ввода-вывода, получить или освобо-

дить участок памяти и т. д.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользо-

вательские и программные. Если говорить о пользовательских, то, напри-

мер, система Linux имеет для

пользователя как интерфейсы командной

строки (можно использовать различные “оболочки” – shell), интерфейс

наподобие Norton Commander – Midnight Commander, так и графические

интерфейсы – X-Window с различными менеджерами окон – KDE, Gnome

и т. д. Если же говорить о программных интерфейсах, то в той же ОС

Linux программы могут обращаться как к операционной системе за соот-

ветствующими сервисами и функциями, так и к графической

подсистеме

(если она используется). С точки зрения архитектуры процессора (и всего

ПК в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, ис-

пользует те же команды и форматы данных, что и программа, созданная

для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обра-

щение к одной операционной среде, а

во втором – к другой. И программа,

созданная для Windows непосредственно, не будет выполняться в Linux;

однако если ОС Linux организовать полноценную операционную среду

Windows, то наша Windows-программа сможет быть выполнена. Можно

сказать, что операционная среда – это то системное программное окруже-

ние, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам ра-

боты этой среды.

Понятие “

вычислительный процесс” (или просто – “процесс”) является

одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие,

процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придер-

живаться следующего неформального определения. Последовательный

процесс (иногда называемый “задачей”) – это выполнение отдельной про-

граммы с ее данными на последовательном процессоре. Концептуально

процессор рассматривается в двух аспектах: во-первых, он является носи-

телем данных и, во-вторых, он (одновременно) выполняет операции, свя-

занные с их обработкой.

Определение концепции процесса преследует цель выработать меха-

низмы распределения и управления

ресурсами. Понятие ресурса, так же

как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении

операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению

к повторно используемым, относительно стабильным и часто недостаю-

щим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются

процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом называ-

ется всякий объект, который

может распределяться внутри системы.

Далее рассмотрим понятия, с которыми часто придется сталкиваться

при изучении операционных систем.

Расслоение памяти обеспечивает возможность одновременного досту-

па к последовательным ячейкам основной памяти, поскольку ячейки с со-

седними адресами размещаются в различных модулях памяти.

Механизм прерываний играет важную роль для режимов работы, при

которых много операций

могут выполняться асинхронно, но в определен-

ных случаях требуют синхронизации.

Буферизация с несколькими буферами позволяет эффективно совме-

щать операции ввода-вывода с вычислениями.

Спулинг (ввод-вывод с буферизацией) позволяет отделить работающую

программу от низкоскоростных устройств ввода-вывода, таких, как прин-

теры и устройства ввода данных с перфокарт. При спулинге ввод-

вывод

данных для программы осуществляется при посредстве высокоскоростно-

го внешнего запоминающего устройства, например, накопителя на маг-

нитных дисках, а фактическое чтение или распечатка данных производит-

ся в то время, когда устройства ввода перфокарт и принтеры свободны.

Для изоляции пользователей друг от друга в многоабонентских систе-

мах необходимо предусматривать защиту памяти; защиту

можно реали-

зовывать несколькими различными способами, в том числе при помощи

граничных регистров или ключей защиты.

Применение стандартного интерфейса ввода-вывода существенно

упрощает подключение к машине новых внешних устройств. Внешние

устройства могут работать под непосредственным управлением централь-

ного процессора в режиме он-лайн, или автономно (оф-лайн), под управ-

лением

отдельных контроллеров, независимых от процессора. Функцио-

нально законченные вычислительные машины, которые выполняют опе-

рации ввода данных с перфокарт на магнитную ленту, вывода данных с

магнитной ленты на печать и т. д. для более крупных машин, называются

процессорами ввода-вывода, или компьютерами-сателлитами.

Канал – специализированная вычислительная машина для выполнения

операций ввода-вывода без участия центрального процессора. Для коор-

динации взаимодействия между центральным процессором и каналом

применяется, как правило, способ регулярного опроса или механизм пре-

рываний. Наиболее известные типы каналов – это селекторные, байт-

мультиплексные и блок-мультиплексные каналы.

Система управления вводом-выводом (IOCS) – это пакет

программ, на-

значение которого заключается в том, чтобы освободить пользователя от

необходимости детального управления вводом-выводом. Пакеты IOCS яв-

ляются важной частью современных операционных систем.

Метод относительной адресации дает возможность работать с очень

большим адресным пространством без необходимости увеличивать размер

машинного слова; во время выполнения программы все адреса формиру-

ются путем

прибавления смещения к содержимому базового регистра.

Благодаря этому упрощается также перемещение программ по памяти.

Наличие в машине нескольких режимов работы обеспечивает защиту

программ и данных. В режиме супервизора могут выполняться любые ко-

манды (включая привилегированные), а в режиме задачи – только непри-

вилегированные. Эти режимы определяют границу между возможностями

пользователя и возможностями

операционной системы. В некоторых ма-

шинах предусматриваются более двух подобных режимов работы.

Системы виртуальной памяти в обычном случае дают возможность

программам работать с гораздо более широким диапазоном адресов, чем

адресное пространство имеющейся основной памяти. Это позволяет осво-

бодить программиста от ограничений, связанных с емкостью основной

памяти.

Метод прямого доступа к

памяти исключает необходимость преры-

вать работу центрального процессора при передаче каждого байта блока

данных во время выполнения операций ввода-вывода – в этом случае тре-

буется только один сигнал прерывания, вырабатываемый при завершении

передачи всего блока. Каждый символ записывается в основную память и

читается из нее с захватом цикла памяти – здесь каналу

предоставляется

приоритет, поскольку центральный процессор может и подождать.

В архитектурах компьютеров высокого быстродействия применяются

конвейеры, которые позволяют совмещать работу нескольких команд, в

каждый конкретный момент времени находящихся на различных стадиях

выполнения.

В современных вычислительных машинах реализуется иерархическая

структура памяти, включающая кэш-память, основную (первичную, опе-

ративную) память и внешнюю (вторичную,

массовую) память; при пере-

ходе с уровня на уровень иерархии в указанном порядке емкости памяти

увеличиваются, а стоимость в расчете на байт уменьшается.

Программное обеспечение – это программы, состоящие из команд, ко-

торые интерпретируются аппаратными средствами; команды определяют

алгоритмы, обеспечивающие решение задач. Программы для компьютера

можно писать на машинном языке, языке ассемблера или языках высокого

уровня. Программисты редко работают непосредственно на машинных

языках – программы в машинных кодах генерируются при помощи ас-

семблеров и компиляторов. Макропроцессоры дают возможность про-

граммистам, работающим на языке ассемблера, писать макрокоманды, ко-

торые порождают много

команд на языке ассемблера. Компиляторы обес-

печивают трансляцию программ, написанных на языках высокого уровня,

на машинный язык. Интерпретаторы непосредственно выполняют ис-

ходные программы, не генерируя при этом объектные модули.

Процедурно-ориентированные языки являются универсальными, а про-

блемно-ориентированные языки специализируются для эффективного ре-

шения задач определенных классов. Компиляторы без оптимизации

рабо-

тают быстро, однако генерируют относительно неэффективные коды; оп-

тимизирующие компиляторы позволяют получать эффективные коды, но

работают гораздо медленнее, чем без оптимизации.

Абсолютные загрузчики осуществляют загрузку программ в конкрет-

ные ячейки, адреса которых указываются при компиляции; перемещаю-

щие загрузчики могут размещать программы в различных свободных уча-

стках памяти. Привязка программы к

памяти по абсолютным адресам

осуществляется во время трансляции, а привязка перемещаемых программ

– во время загрузки или даже во время выполнения.

Связывающие загрузчики объединяют отдельные блоки программы,

создавая единый модуль, готовый к выполнению; этот выполняемый мо-

дуль размещается в основной памяти. Редакторы связей также осуществ-

ляют объединение программ, однако сформированный ими

готовый к вы-

полнению модуль записывается во внешнюю память для последующего

использования.

Микропрограммирование – это написание программ, которые управля-

ют элементарными операциями аппаратуры; микропрограммирование иг-

рает исключительно важную роль в современных архитектурах компьюте-

ров и операционных системах. Динамическое микропрограммирование

предусматривает возможность простой загрузки новых микропрограмм в

управляющую память для непосредственного выполнения.

Команды вертикального микрокода очень похожи на команды машин-

ного языка; типичная вертикальная микрокоманда указывает, что необхо-

димо выполнить определенную операцию с определенными данными. Го-

ризонтальный микрокод содержит команды с более широкими возможно-

стями – они позволяют задавать одновременное выполнение многих опе-

раций над многими элементами данных.

Микропрограммирование зачастую применяется, при эмуляции, позво

ляя сделать один компьютер функциональным эквивалентом другого ком-

пьютера. Эмуляция особенно необходима и полезна в тех случаях, когда