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

Подождите немного. Документ загружается.

пользователям приходится переводить свои программы с машины на ма-

шину.

Микропрограммирование позволяет реализовать микродиагностику,

т. е. контроль ошибок с гораздо большей степенью детализации, чем это

возможно для команд машинного языка.

Благодаря микропрограммированию можно специализировать

компьютер применительно к требованиям конкретных пользователей.

Поставщики компьютеров обычно предлагают факультативные средства

микропрограммной поддержки, позволяющие повысить скоростные

характеристики; реализация часто выполняемых последовательностей

команд при помощи микрокода сокращает время их выполнения. Многие

функции операционных систем в современных вычислительных машинах

реализуются не обычными программами, а микропрограммами, и

благодаря этому, как правило, обеспечивается более высокая скорость

выполнения и более надежная защита.

2. Классификация операционных систем

2.1. Способы классификации операционных

систем

ОС классифицируются по следующим признакам:

1) по количеству пользователей, одновременно обслуживаемых систе-

мой;

2) по числу процессов, которые могут одновременно выполняться под

управлением ОС;

3) по типу доступа пользователя к ЭВМ;

4) по типу средств вычислительной техники, для управления ресурса-

ми которых система предназначена;

5) по поддерживаемым режимам работы ЭВМ;

6) по функциональным возможностям.

В соответствии с первым признаком различают однопользовательские и

многопользовательские ОС. Многопользовательские системы поддержи-

вают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей (конечно,

за различными терминалами).

Второй признак делит ОС на однозадачные и многозадачные. Заметим,

что если система многопользовательская, то обычно она и многозадачная,

но не наоборот.

соответствии с третьим признаком ОС делятся на:

системы с пакетной обработкой, когда из программ, подлежащих вы-

полнению, формируется пакет, который предъявляется ЭВМ. В этом слу-

чае пользователи непосредственно с ОС не взаимодействуют. Данный тип

ОС предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов

ЭВМ;

системы разделения времени, обеспечивающие одновременный диало-

говый (интерактивный) доступ к ЭВМ нескольких пользователей через

терминалы. Ресурсы ЭВМ выделяются при этом каждому пользователю

“по очереди” в соответствии с той или иной дисциплиной обслуживания.

Этот тип ОС предназначен для обеспечения удобства работы группы

пользователей

;

системы реального времени, которые должны обеспечивать гарантиро-

ванное время ответа на внешние события. Такие ОС служат для управле-

ния внешними по отношению к ЭВМ процессами и объектами.

По четвертому признаку ОС делятся на однопроцессорные, многопро-

цессорные, сетевые и распределенные.

ОС не могут, как правило, предоставить пользователям возможности,

которыми не обладает

ЭВМ. Они в состоянии только эффективно исполь-

зовать аппаратные средства компьютера. Поэтому мы сначала перечислим

возможные режимы работы ЭВМ, чтобы понять, какими типами ОС они

могут комплектоваться.

В настоящее время ЭВМ поддерживают широкий спектр режимов ра-

боты, среди которых:

1) однопрограммный режим;

2) однопользовательский многопрограммный, или просто многопро-

граммный режим;

многопользовательский многопрограммный или просто многопро-

граммный режим;

4) система виртуальных машин (дальнейшее развитие мультипрограм-

мирования, основным признаком которого является возможность одно-

временной работы нескольких ОС.

С точки зрения микропроцессора режимы 2 и 3 близки друг к другу, но

для обеспечения последнего необходимо наличие нескольких терминалов

(дисплеев и клавиатур). Многопрограммные режимы могут реализовы-

ваться

как на одно-, так и на многопроцессорных ЭВМ. Для поддержки

перечисленных режимов работы ЭВМ существуют следующие типы ОС

1) однопользовательские однозадачные, или просто однозадачные;

2) однопользовательские многозадачные, или просто многозадачные;

3) многопользовательские многозадачные, или просто многопользова-

тельские.

Для обеспечения работы ЭВМ в режиме системы виртуальных машин

необходим монитор виртуальных машин.

При рассмотрении

режимов работы ЭВМ и ОС не случайно использо-

вались различные термины – соответственно “программа” и “задача”.

Здесь необходимо сделать несколько дополнительных пояснений.

На аппаратном уровне случаи одновременного выполнения последова-

тельностей команд нескольких программ или одной программы неразли-

чимы. Понятие же “задача” вообще не вводится, а посему можно исполь-

зовать лишь термин “программа”, понимая под многопрограммностью

способность одновременного (при наличии одного процессора – только

попеременного) выполнения нескольких последовательностей команд.

На уровне же ОС дело обстоит несколько иначе: считается, что система

организует выполнение задачи, формируемой из целой программы или из

логически

законченного фрагмента программ. Поэтому в данном случае

правомерно говорить об одно- или многозадачности.

Для многопользовательских и многозадачных ОС важным показателем

является дисциплина обслуживания. В соответствии с этим различают вы-

тесняющий и согласующий режимы многозадачной работы.

При вытесняющей организации выделением задачам процессорного

времени занимается исключительно ОС. Примерами такого режима явля-

ются

квантование, когда каждой задаче процессорное время выделяется

по очереди, причем на фиксированный промежуток времени, и приори-

тетное обслуживание.

В случае согласующей организации каждая задача, получившая управ-

ление, сама определяет, когда ей отдать процессор другой задаче. Иначе

говоря, здесь инициатива исходит не от ОС, а главным образом от самой

задачи.

В общем случае согласование эффективнее и надежнее вытесне-

ния, так как позволяет программе самой выбирать удобный и безопасный

момент своего прерывания. Однако при этом ни одна из программ не

должна узурпировать процессор, добровольно отказываясь от монополь-

ного его использования.

2.2. Классификация операционных систем

по функциональным возможностям

В п. 1.2 были определены

функции, которые должна выполнять опера-

ционная система. По тому, какие из перечисленных функций реализованы

и каким было уделено больше внимания, а каким меньше, системы можно

разделить на несколько классов (рис. 1.2).

ДОС

ОС

общего

назначения

ОС

реального

времени

Системы

промежуточных

типов

Рис. 1.2. Классификация операционных систем

2.2.1. ДОС (Дисковые Операционные Системы)

Это системы, берущие на себя выполнение только первых четырех

функций. Как правило, они представляют собой некий резидентный набор

подпрограмм, не более того. ДОС загружает пользовательскую программу

в память и передает ей управление, после чего программа делает с систе-

мой все

, что ей заблагорассудится. При завершении программы считается

хорошим тоном оставлять машину в таком состоянии, чтобы ДОС могла

продолжить работу. Если же программа приводит машину в какое-то дру-

гое состояние, что ж, ДОС ничем ей в этом не может помешать.

Характерный пример – различные загрузочные мониторы для машин

класса Spectrum. Как правило,

такие системы работают одновременно

только с одной программой. Дисковая операционная система MS DOS для

IBM PC-совместимых машин является прямым наследником одного из та-

ких резидентных мониторов.

Существование систем этого класса обусловлено их простотой и тем,

что они потребляют мало ресурсов. Еще одна причина, по которой такие

системы могут использоваться даже на довольно мощных

машинах – тре-

бование программной совместимости с ранними моделями того же семей-

ства компьютеров.

2.2.2. ОС общего назначения

К этому классу относятся системы, берущие на себя выполнение всех

перечисленных функций. Разделение на ОС общего назначения и ДОС

идет, по-видимому, от систем IBM DOS/360 и OS/360 для больших ком-

пьютеров этой фирмы, клоны которых известны у нас в стране под назва-

нием ЕС ЭВМ серии 10ХХ (у IBM была еще TOS/360, Tape Operating Sys-

tem – Ленточная Операционная Система).

Далее под ОС будут подразумеваться системы “общего назначения”,

т. е. рассчитанные на интерактивную работу одного или нескольких поль-

зователей в режиме разделения времени, при не очень жестких требовани-

ях ко времени реакции системы на внешние события. Как правило, в таких

системах уделяется большое внимание защите самой системы, программ-

ного обеспечения и пользовательских данных от ошибочных и злонаме-

ренных программ и пользователей. Обычно подобные системы использу-

ют встроенные в архитектуру

процессора средства защиты и виртуализа-

ции памяти. К этому классу относятся такие широко распространенные

системы, как Windows 2000, XP, системы семейства Unix.

2.2.3. Системы реального времени

Это системы, предназначенные для облегчения разработки и управле-

ния так называемыми приложениями реального времени (РВ) – програм-

мами, управляющих некомпьютерным оборудованием, часто с очень же-

сткими ограничениями по

времени. Примером таких систем являются опе-

рационные системы бортовых ЭВМ образцов вооружения. Подобные сис-

темы обязаны поддерживать многопоточность, гарантированное время ре-

акции на внешнее событие, простой доступ к таймеру и внешним устрой-

ствам.

Способность гарантировать время реакции является отличительным

признаком систем РВ. Важно учитывать различие между гарантированно-

стью и просто

высокой производительностью. Далеко не все алгоритмы и

технические решения, даже и обеспечивающие отличное среднее время

реакции, годятся для приложений и операционных систем РВ.

По другим признакам эти системы могут относиться как к классу ДОС

(RT-11), так и к ОС (OS-9, QNX).

Так называемое “мягкое реальное время”, предоставляемое со-

временными Win32 платформами, не является реальным

временем вооб-

ще. Система “мягкого РВ” обеспечивает не гарантированное, а всего лишь

среднее время реакции. Для мультимедийных приложений и игр различие

между “средним” и “гарантированным” не очень критично. Но для про-

мышленных приложений, где необходимо настоящее реальное время, это

обычно неприемлемо.

2.2.4. Средства кросс-разработки

Это системы, предназначенные для разработки программ в двухма-

шинной конфигурации, когда редактирование, компиляция, а зачастую и

отладка кода производятся на инструментальной машине, а потом ском-

пилированный код загружается в целевую систему. Чаще всего они ис-

пользуются для написания и отладки программ, позднее прошиваемых в

ПЗУ. Примерами таких

ОС являются системы программирования микро-

контроллеров Intel, Atmel, PIC и др., системы VxWorks, Windows СЕ, Palm

OS и т. д. Для разработки программного обеспечения для вычислительных

систем комплексов вооружения войсковой ПВО используется инструмен-

тальная среда Tornado, работающая под управлением ОС реального вре-

мени VxWorks.

Такие системы, как правило, включают в себя:

набор компиляторов и ассемблеров, работающих на инструментальной

машине

с “нормальной” ОС;

библиотеки, выполняющие большую часть функций ОС при работе

программы (но не загрузку этой программы!);

средства отладки.

2.2.5. Системы виртуальных машин

Такие системы стоят несколько особняком. Система виртуальных ма-

шин (СВМ) – это ОС, допускающая одновременную работу нескольких

программ, но создающая при этом для каждой программы иллюзию того,

что машина находится в полном ее распоряжении, как при работе под

управлением ДОС. Зачастую, “программой” оказывается полноценная

операционная система – примерами таких систем являются VMWare для

машин с архитектурой х86 или VM для System/370 и ее потомков.

Виртуальные машины являются ценным средством при разработке и

тестировании кросс-платформенных приложений. Реже они используются

для отладки модулей

ядра или самой операционной системы.

Такие системы отличаются высокими накладными расходами и сравни-

тельно низкой надежностью, поэтому относительно редко находят про-

мышленное применение.

Часто СВМ являются подсистемой ОС общего назначения: MS DOS и

MS Windows-эмуляторы для UNIX и OS/2, подсистема WoW в Windows

NT/2000/XP, сессия DOS в Windows 3.x/95/98/МЕ, эмулятор RT-11 в

VAX/VMS.

2.2.6. Системы промежуточных типов

Существуют системы, которые нельзя отнести к одному из вышепере-

численных классов. Такова, например, система RT-11, которая, по сути

своей, является ДОС, но позволяет одновременное исполнение нескольких

программ с довольно богатыми средствами взаимодействия и синхрониза-

ции. Другим примером промежуточной системы является Windows 95, ко-

торые, как ОС, используют аппаратные средства процессора

для защиты и

виртуализации памяти и даже могут обеспечивать некоторое подобие мно-

гозадачности, но не защищают себя и программы от ошибок других про-

грамм, подобно ДОС.

Некоторые системы реального времени, например QNX, могут исполь-

зоваться как в качестве самостоятельной ОС, загружаемой с жесткого дис-

ка в оперативную память, так и будучи

прошиты в ПЗУ. Эти системы мо-

гут быть отнесены одновременно и к ОС общего назначения, и к системам

кросс-разработки.

Таких примеров “гибридизации” можно привести множество, поэтому

к вышеприведенной классификации следует относиться с определенной

осторожностью.

2.3. Семейства операционных систем

Часто можно проследить преемственность между различными ОС, не-

обязательно разработанными одной

компанией. Отчасти такая преемст-

венность обусловлена требованиями совместимости или хотя бы перено-

симости прикладного программного обеспечения, отчасти – заимствова-

нием отдельных удачных концепций.

На основании такой преемственности можно выстроить “генеалогиче-

ские деревья” операционных систем и – с той или иной обоснованностью

– объединять их в семейства. Следует заметить, что граф родства ОС не

является деревом и нередко содержит циклы, поэтому бесспорной много-

уровневой классификации, охватывающей всю техносферу, выстроить не

удается.

Тем не менее, с достаточно большой уверенностью можно выделить

минимум три семейства ныне эксплуатирующихся ОС и еще несколько –

вымерших или близких к тому. Три ныне процветающих семейства:

1. Операционные системы для больших компьютеров фирмы

IBM –

OS/390, z/OS и IBM VM.

2. Обширное, бурно развивающееся и имеющее трудно определимые

границы семейство Unix. Прежде всего в него входят ОС трех основных

родов:

Unix System V Release 4.x: SunSoft Solaris, SCO UnixWare;

Berkeley Software Distribution Unix: BSDI, FreeBSD;

Linux.

3. Семейство прямых и косвенных потомков Control Program/Monitor

(СР/М) фирмы Digital Research. В этом семействе можно выделить также

весьма широко известное подсемейство Win32-плaтфopм.

Еще одно практически вымершее к настоящему моменту, но оставив-

шее в наследство ряд важных и интересных концепций семейство – это

операционные системы для мини- и микрокомпьютеров фирмы

DEC: RT-

11, RSX-11 и VAX/VMS.

Ряд систем, в том числе и коммерчески успешных, не могут быть с уве-

ренностью отнесены ни к одному из перечисленных семейств, поэтому к

данной классификации надо относиться с осторожностью.

Выбор типа операционной системы часто представляет собой нетриви-

альную задачу. Некоторые приложения накладывают жесткие требования,

которым удовлетворяет только небольшое количество

систем. Например,

задачи управления промышленным или исследовательским оборудовани-

ем в режиме жесткого реального времени вынуждают делать выбор между

специализированными ОС реального времени и некоторыми ОС общего

назначения, такими как Unix System V Release 4 (хотя Unix SVR4 теорети-

чески способна обеспечивать гарантированное время реакции, системы

этого семейства имеют ряд недостатков с точки зрения задач РВ, поэтому

чаще

всего предпочтительными оказываются специализированные ОС –

QNX, VxWorks, OS-9 и т. д.). Другие приложения, например серверы баз

данных, просто требуют высокой надежности и производительности, что

отсекает системы класса ДОС и MS Windows.

Наконец, некоторые задачи, такие как автоматизация офисной работы в

небольших организациях, не предъявляют высоких требований к на-

дежности, производительности и времени реакции системы, что

предос-

тавляет широкий выбор между различными ДОС, MS Windows, Mac OS и

многими системами общего назначения. При этом технические параметры

системы перестают играть роль, и в игру вступают другие факторы. На за-

ре развития персональной техники таким фактором была стоимость аппа-

ратного обеспечения, вынуждавшая делать выбор в пользу ДОС и, позд-

нее, MS Windows.

Нужно отметить,

впрочем, что современные версии Windows, несмотря

на низкую надежность, сложность конфигурации и поддержки и ряд функ-

циональных недостатков, вполне адекватны большинству задач офисной

автоматизации. Основная проблема MS Windows состоит в том, что она не

обеспечивает путей плавного и безболезненного перехода к другим плат-

формам, даже если возникнет необходимость такого перехода. Строго го-

воря, тот

же недостаток свойственен многим другим закрытым (closed)

платформам, поставляемым одной фирмой и использующим нестандарт-

ные “фирменные” интерфейсы. Пока “закрытое” решение соответствует

предъявляемым требованиям, все хорошо, но когда требования выходят за

пределы технологических возможностей данного решения, проблема за-

ходит в тупик.

Альтернативой закрытым решениям является концепция открытых сис-

тем. Идея открытых систем исходит из того, что для разных задач необхо-

димы разные системы – как специализированные, так и системы общего

назначения, просто по-разному

настроенные и сбалансированные. Слож-

ность состоит в том, чтобы обеспечить:

взаимодействие разнородных систем в гетерогенной сети;

обмен данными между различными приложениями на разных платфор-

мах;

переносимость прикладного ПО с одной платформы на другую, хотя

бы путем перекомпиляции исходных текстов;,

по возможности однородный пользовательский интерфейс.

Эти задачи предполагается решать при помощи

открытых стандартов –

стандартных сетевых протоколов, стандартных форматов данных, стан-

дартизации программных интерфейсов – API (Application Program Inter-

face, интерфейс прикладных программ) и, наконец, стандартизации поль-

зовательского интерфейса.

В качестве стандартного сетевого протокола предлагалась семиуровне-

вая модель OSI, но прежде, чем на основе этой модели было разработано,

что-то полезное, получило широкое распространение семейство протоко-

лов

TCP/IP. Документация по протоколам этого семейства имеет статус

public domain (общественная собственность); кроме того, есть, по край-

ней мере, одна программная реализация этого протокола, также имеющая

статус public domain – сетевое ПО системы BSD Unix, это стало вполне

приемлемым основанием для применения TCP/IP в открытых системах.

Для того чтобы как-то обеспечить переносимость программ между сис-

темами различных

типов, принимались различные стандарты интерфейса

между пользовательской программой и ОС. Одним из первых таких стан-

дартов был стандарт библиотек ANSI С. Он основан на системных вызо-

вах ОС Unix, но функции MS DOS для работы с файлами тоже достаточно

близки к этому стандарту.

Позднее делалось еще несколько попыток стандартизировать интер-

фейс системных вызовов. Одной из

относительно удачных попыток такого

рода был POSIX (Portable Operating System Interface [based on] uniX – пе-

реносимый интерфейс операционной системы, основанный на Unix), кото-

рый в той или иной форме поддерживается всеми системами семейства

Unix и некоторыми ОС, не входящими в это семейство, например Win-

dows NT. Но наибольший успех имела деятельность консорциума Х/Open,

который в 1998 году сертифицировал операционную систему OS/390 фир-

мы IBM

как соответствующую спецификациям Unix/95 и, таким образом,

дал представителю самого древнего из современных родов операционных

систем право называться UNIX ™.

3. Принципы построения операционных систем

3.1. Основные принципы построения ОС

Операционные системы различаются по назначению, выполняемым

функциям, формам реализации. В этом смысле каждая ОС – это уникаль-

ная сложная программная система. Одновременно можно говорить о тож-

дественном равенстве ОС в смысле использования некоторых общих

принципов, которые положены в основу их

разработки.

Принцип модульности.

Этот принцип в равной степени отражает тех-

нологические и эксплуатационные свойства. Причем наибольший эффект

от его использования достижим в случае, когда принцип распространен

одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппа-

ратуру. Под модулем в общем случае понимают функциональный элемент

рассматриваемой системы, имеющий оформление, законченное и выпол-

ненное в пределах

требований системы, и средства сопряжения с подоб-

ными элементами или элементами более высокого уровня данной или дру-

гой системы. По своему определению модуль предполагает легкий способ

его замены на другой при наличии заданных интерфейсов. Способы обо-

собления составных частей ОС в отдельные модули могут быть сущест-

венно различными. Чаще всего разделение

происходит по функциональ-

ному признаку. В значительной степени разделение системы на модули

определяется используемым методом проектирования ОС.

Как правило, модули строят с учетом характера их будущего использо-

вания. Модуль может быть построен так, что после очередного своего ис-

полнения становится непригоден для последующего своего исполнения.

Это происходит, например, если при

исполнении были изменены и не вос-

становлены в исходное состояние либо совсем исчезли некоторые коман-

ды или данные модуля. Так, при работе двухпроходного транслятора его

часть, реализующая первый проход, вызывает и загружает на место своего

расположения в оперативной памяти другую часть транслятора, реали-

зующую второй проход. Очевидно, что если такой транслятор

кончил ра-

ботать и возникла необходимость повторной работы с ним, то потребуется

повторно сделать копирование исходного текста транслятора в оператив-

ную память. Модули, которые могут испортить сами себя после окончания

работы и не восстанавливаются в исходное состояние, называют одно-

кратными. Если же модули могут испортить себя, но в конце работы

вос-

станавливаются, то их называют многократными.

Особо важное значение при построении ОС имеют модули, называемые

параллельно используемыми или реентерабельными. Каждый реентера-

бельный модуль можно использовать параллельно (одновременно) не-