Универсальная ОС (ОС общего назначения) предназначена для широкого круга пользователей компьютера определенного типа.
ОС специального назначения используется для узкого круга задач или для специализированного (например, бортового) компьютера и другого оборудования.
Некоторые ОС, например, знаменитая OS/360 (IBM, 1965) для семейства программно совместимых ЭВМ IBM/360, русифицированная для компьютеров ЕС ЭВМ под названием ОС ЕС, могли работать в нескольких режимах: мультипрограммная пакетная обработка, разделение времени и управление в реальном времени, но это делает систему слишком громоздкой, неповоротливой и сложной.
Классификация операционных систем [1 c. 26 – 28; 2 разд. 3.2]
Первыми ОС (1950-е годы) по назначению и режиму работы были системы пакетной обработки. На вход системы поступал пакет последовательно запускаемых заданий на выполнение программ пользователей. ОС работала в однопрограммном режиме, когда выполняемая программа получала в свое распоряжение все ресурсы ЭВМ. ОС облегчала функции оператора ЭВМ по запуску и завершению программ и оформлению их результатов, уменьшала простои оборудования, при переходе от одного задания к следующему.
Урок 21. Операционная система
Появление в аппаратуре ЭВМ системы прерываний обеспечило одновременную работу устройств компьютера, и в начале 1960-х годов появились мультипрограммные (многозадачные) ОС.
Операционные системы с разделением времени (СРВ) обеспечивают параллельную диалоговую работу многих пользователей за терминалами типа дисплея, подключенными к одной ЭВМ.
С появлением вычислительных сетей в 1970-х годах возникли сетевые операционные системы, обеспечивающие совместное использование сетевых ресурсов, управление распределенной обработкой данных на нескольких узлах сети и удаленный доступ к вычислительным мощностям через сеть.
В конце 1970-х годов появились персональные ЭВМ, благодаря которым необычайно расширилась область применения компьютеров, а в круг их пользователей влились миллионы людей, не являющихся профессионалами в информатике.
Операционные системы персональных компьютеров рассчитаны, как правило, на одного пользователя. Сначала они были простыми и однозадачными, но с возрастанием возможностей аппаратуры быстро усложнились. Главное назначение таких систем – обеспечить широкий набор функций с удобным и дружественным интерфейсом, в том числе (а зачастую и прежде всего) для неподготовленного пользователя.
Модульная структура построения ОС и их переносимость [1 c. 46 – 50; 2 разд. 3.7 –3.8]
Основной принцип организации ОС – иерархический подход: разбиение системы на уровни. Каждый уровень использует функции интерфейса, предоставляемого более низким уровнем, как если бы они воплощались в реальной машине, и аналогичным образом реализует интерфейс своей абстрактной машины, с которым имеют дело верхние уровни.
В ОС до 10 – 15 уровней подобных абстрактных машин. Увеличение числа уровней упрощает части системы, но замедляет ее работу (как и в человеческом обществе). Такая потеря эффективности характерна для строгой иерархии, когда каждый уровень обращается только к непосредственно предшествующему уровню.
Что такое операционная система и как она работает
Нижние уровни ОС образуют ядро – небольшую интенсивно работающую часть ОС, которая обычно резидентна – постоянно размещена в оперативной памяти. Ядро имеет дело непосредственно с аппаратурой.
Обычно к функциям ядра относятся (в порядке повышения уровня): обработка прерываний, управление процессами (их создание, уничтожение, запуск, приостановка, активизация, синхронизация и взаимодействие), управление вводом-выводом, управление памятью (ее распределение и перераспределение), управление устройствами, поддержка файловой системы, вызов и возврат подпрограмм, функции учета работы. Вход в ядро – обычно по прерыванию с помощью системного вызова.
Выше ядра – программы интерфейса системных вызовов, интерпретаторы командного языка и другие операционные оболочки (например, Norton Commander), библиотеки ОС, а затем – системные процессы и процессы пользователей.
Системный процесс – это часть ОС, выполняемая в виде процесса подобно процессам пользователей. Реализация верхних уровней ОС в виде процессов упрощает разработку и расширение возможностей ОС, перенос ее компонентов в другие операционные системы.
Иерархический подход расширяется вниз в концепции виртуальных машин – на одной реальной машине для пользователей создается иллюзия, что они работают на отдельных виртуальных машинах со своими ОС одного или разных типов.
Виртуальные машины – перенесение мультипрограммирования на самый нижний уровень ОС, где располагается монитор (управляющая программа) виртуальных машин. Программы нижнего уровня каждой ОС имеют дело не с реальной машиной, а с прозрачным для ОС и программ пользователей монитором виртуальной машины, который предоставляет им тот же интерфейс, что и реальная машина.
Микроядерная реализация ОС – технология разработки семейства ОС или создания множества операционных сред в одной ОС на основе общего микроядра.
Это – распространение модульности на ядро ОС: его разбивают на модули и выносят в более высокие уровни системы часть его функций: верхний уровень управления процессами, управление файлами и устройствами. Уменьшенное ядро превращается в микроядро размером в несколько Кбайт, зачастую целиком размещаемое в кэш-памяти процессора, что ускоряет работу ОС. В нем остаются лишь общие функции семейства ОС для одного компьютера или реализации различных операционных сред в одной ОС.
В современных ОС часто сочетают «три кита»: микроядро, объектно-ориентирован-ный подход к разработке верхних уровней ОС – единообразное представление в виде объектов таких вещей, как процессы, потоки, файлы, различные ресурсы, средства коммуникации и синхронизации процессов и т. п., а также реализуемые на основе расширений микроядра и объектного подхода множественные среды – операционные среды «чужих» ОС для выполнения написанных для них программ.
Примеры микроядерных ОС: микроядро Mach (Стив Джобс, университет Карнеги-Меллон); Windows NT, в среде которой можно выполнять DOS-, Windows-, OS/2- и POSIX-программы; семейство микроядерных ОС реального времени QNX; микроядерные реализации UNIX и др.
В архитектуре клиент/сервер процесс-сервер – процесс, отвечающий на запросы клиента посредством сообщений. Процесс-клиент – процесс, запрашивающий сервисы у процесса — сервера, отправляя ему сообщения.
Управление процессором [1 c. 30 – 31; 2 разд. 3.4.1]
Планирование процессов включает определение, когда и какой из задач предоставить для выполнения время центрального процессора.
Процесс (задача) создается перед выполнением программы и уничтожается, когда выполнение завершается. В период существования процесс может находиться в трех основных состояниях.
Процесс активен (выполняется), когда его программа исполняется процессором. По истечении выделенного кванта времени возникает прерывание, и активный процесс переводится в состояние готов – ожидание следующего кванта. Таким способом предотвращается захват ресурсов машины одним процессом. Процесс блокирован, если он остановлен и ожидает наступления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, после которого его можно продолжить.
Участие некоторых процессов в конкуренции за время процессора можно временно приостановить, например, на периоды резкого повышения нагрузки системы для улучшения ее производительности «в часы пик» или для исправления ошибок при появлении признаков сбоев в работе ОС или процесса, а затем возобновить. Тогда появляются состояния: приостановлен готов, приостановлен блокирован и др.
Планирование (scheduling) процессора – распределение времени процессора.
Планирование долгосрочное (на верхнем уровне) – решение о допуске нового процесса (или задания) в систему для выполнения.
Планирование среднесрочное (на промежуточном уровне) – часть свопинга: решение о (полном или частичном) помещении процесса в основную память для начала конкуренции за процессорное время.
Планирование краткосрочное (на нижнем уровне) – определение процесса (или потока), который получит процессорное время.
Основное отличие долгосрочного и краткосрочного планировщиков – в частоте их запуска: краткосрочный планировщик запускается гораздо чаще.
Краткосрочное планирование должно удовлетворить критериям пользователя: уменьшение времени отклика между запросом и началом ответа в диалоге, времени оборота между поступлением и завершением процесса, предельного срока завершения процесса и системным критериям: производительность и пропускная способность процессора; учет приоритетов процессов; беспристрастность – равноправие процессов и предотвращение голодания (starvation) – бесконечного откладывания выполнения процесса из-за предпочтения другим процессам при отсутствии дополнительных указаний пользователя; баланс занятости системных ресурсов (который важен также для долгосрочного и среднесрочного планирования).
Дисциплины диспетчеризации – это правила формирования очереди готовых к выполнению задач. Дисциплины диспетчеризации: бесприоритетные (линейные, циклические), приоритетные (со статическим приоритетом, который может быть абсолютным или относительным, с динамическим приоритетом, который может меняться от времени ожидания, от времени обслуживания).
Дисциплины диспетчеризации также можно разделить на вытесняющие и не вытесняющие (кооперативные).
Алгоритмы краткосрочного планирования – выбора среди готовых к выполнению процессов: первым поступил – первым обслужен (FCFS – first-come-first-served), круговое (карусельное) планирование – циклическое обслуживание с квантованием времени, выбор самого короткого процесса; выбор процесса с меньшим временем оставшейся работы, снижение приоритета процессам, затратившим много времени и др.
Многопроцессорные системы разделяются на слабосвязанные системы с собственной оперативной памятью и каналами ввода-вывода у каждого процессора; системы с функционально специализированными процессорами, например, процессорами ввода-вывода, и сильносвязанные системы с процессорами, использующими общую оперативную память и единую ОС.
В сильносвязанных многопроцессорных системах отличия в производительности разных стратегий планирования не так велики, как в однопроцессорных системах. Для ОС реального времени ключевой фактор – предельные сроки выполнения, что требует специализированных алгоритмов планирования.
Понятие процесса и ядра [1 c. 22 – 24, 46; 2 разд. 3.1, 3.7]
Ядро — сравнительно небольшая интенсивно работающая часть ОС, которая обычно резидентна – постоянно размещена в оперативной памяти и отвечает на вызовы процессов и прерывания от устройств.
Процесс (= задача – task) – программа на стадии выполнения вместе с выделенными для этого выполнения ресурсами. Процесс обычно создается операционной системой по заданию пользователя для выполнения прикладной программы параллельно с другими процессами и является самостоятельным потребителем ресурсов ОС. Процесс присутствует в ОС в виде блока управления процессом (дескриптора процесса) – структуры данных с информацией о процессе: целочисленный идентификатор процесса, его состояние, приоритет, выполняемая программа, выделенные процессу ресурсы: область оперативной памяти, устройства, файлы, программы и т. п.
Параллельно исполняемые процессы конкурируют между собой за ресурсы: прежде всего, область оперативной памяти для загрузки программы, процессорное время, а также устройства, файлы, библиотечные программы ОС и др. В каждый момент центральный процессор исполняет команды не более одного (активного) процесса, остальные процессы находятся в очереди в состоянии ожидания.
Ресурс – это всякий объект, который может распределяться – выделяться процессу на определенный интервал времени.
Основные виды ресурсов:
— аппаратные: процессоры, устройства памяти, устройства ввода-вывода и др.;
— информационные: файлы, базы данных, системные переменные и т. п.;
— программные: библиотеки программ, планировщики, программы управления файлами и вводом — выводом, сервисные программы (утилиты) и т. д.
Многопоточность — параллелизм внутри процесса, т. е. возможность прикладной программы (процесса) выполнять параллельно несколько операций – потоков управления. Поток (thread — нить, тред) – это самостоятельная часть программы (процесса), выполняемая параллельно с другими частями, упрощенный процесс. Поток не является для ОС самостоятельным потребителем ресурсов, а использует ресурсы своего процесса (кроме времени центрального процессора).
С точки зрения ОС, задача (task) – это получатель процессорного времени. В отсутствие потоков задачами являются процессы, а в многопоточной ОС (например, Windows, UNIX) задачами служат потоки.
Источник: studopedia.org
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
(ОС), комплекс программ, постоянно находящихся в памяти компьютера, организующих работу устройств компьютера, загрузку и выполнение прикладных программ, взаимодействие (интерфейс) компьютера с пользователем.
Наиболее распространённой операционной системой для персональных компьютеров изначально была система MS DOS фирмы «Майкрософт». Аббревиатура DOS означает «дисковая операционная система» (Disk Operating System).Основное её назначение – ввод и вывод информации с магнитных дисков памяти. Для управления ею используется клавиатура компьютера. Для MS DOS было создано большое количество прикладных программ.
В результате она стала фактическим стандартом для персональных компьютеров. Позднее широкое распространение получила графическая система – «надстройка» над MS DOS – Windows («Окна»). Она разработана фирмой «Майкрософт» для IBM-совместимых компьютеров. Windows загружается из MS DOS и выполняет следующие основные функции: удобный, наглядный графический интерфейс пользователя; одновременное выполнение нескольких программ (т. е. многозадачная работа).
Основа графического интерфейса пользователя Windows – идея «оконного» интерфейса, принятая в ряде других современных операционных систем. При этом каждая программа имеет собственное окно, в котором осуществляется обмен информацией с пользователем. Для наглядности и удобства в Windows используются графические символы – «иконки», отображающие отдельные программы. Управление в Windows осуществляется в основном с помощью ручного манипулятора – компьютерной «мыши».
Многозадачный режим работы даёт возможность запускать одновременно несколько прикладных программ, напр. текстовый редактор Word и компьютерную игру, и переключаться с одной на другую. Можно также работать с текстовым редактором и одновременно слушать музыку, записанную на компакт-диске (CD). Возможен также обмен информацией между прикладными программами, напр. перенос рисунка или данных из электронной таблицы в текстовый документ. Windows 95, 98, 2000, ХР являются многозадачными операционными системами для персонального компьютера и одновременно совмещают в себе возможности MS DOS и графической системы. Эти системы специально приспособлены для работы с Интернетом.
Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн . 2006 .
Источник: rus-techichnical-enc.slovaronline.com
Введение
Компьютеры — это универсальные устройства для обработки информации. В отличие от телефона, магнитофона или телевизора, осуществляющих только заранее заложенные в них функции, персональные компьютеры могут выполнять любые действия по обработке информации. Для этого необходимо составить для компьютера на понятном ему языке точную и подробную последовательность инструкций, т.е. программу, как надо обрабатывать информацию. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Поэтому часто употребляемое выражение «компьютер сделал», означает ровно то, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила выполнить соответствующие действия.
Меняя программы для компьютера, можно превратить его в рабочее место практически любого специалиста, играть в какую-нибудь игру. При своем выполнении программы могут использовать различные устройства для ввода и вывода данных.
Таким образом, для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ.
Системное программное обеспечение. Понятие и функции
Программы, работающие на компьютере можно разделить на несколько категорий:
прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисование картинок, обработка информационных массивов.
Инструментальные системы (системы программирования, обеспечивающие создание новых программ на компьютере).
Системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например, создание копий используемой информации, выдачу справочной информации о компьютере, проверка работоспособности устройств компьютера.
Таким образом, программное обеспечение — это совокупность программ и правил со всей относящейся к ним документацией, позволяющих использовать вычислительную машину для разрешения различных задач. Системное программное обеспечение — это комплекс программных модулей, многие из которых поставляются одновременно с компьютером
По функциональному назначению в системном ПО можно выделить три составные части: операционные системы (ОС), системы программирования и сервисные программы.
Операционная система — комплекс программ, которые обеспечивают управление компьютером, планирование эффективного его использования ее ресурсов и решение задач по заданию пользователей. Эту систему можно рассматривать как программное продолжение и расширение аппаратуры ПК.
Система программирования — совокупность программных средств, обеспечивающих автоматизацию разработки и отладки программ.
Операционная система.Состав и назначение
Для выполнения любой программы на компьютере необходимы, по меньшей мере, два ресурса: оперативная память для хранения команд и данных и МП для выполнения команд программы. Указанные ресурсы могут быть предоставлены программе программистом, если он вручную разместит команды и данные в ОП и введет в машину информацию для запуска МП. Однако такой способ не приемлем для больших программ, т.к. является весьма трудоемким и медленным. Операционная система компьютера призвана освободить программиста от кропотливой работы, связанной с распределением ресурсов компьютера, управление его аппаратурой и организацией выполнения программ. Она может обеспечивать работу (функционирование) компьютера в одном из трех режимов: однопрограммный, многопрограммный (мультипрограммный) и многозадачном.
Однопрограммный режим. В этом режиме все ресурсы компьютера представляются лишь одной программе, которая выполняет обработку данных.
Многопрограммный режим. При функционировании компьютера в многопрограммном режиме несколько независимых друг от друга программ выполняют обработку данных одновременно. При этом программы делят ресурсы между собой. Основой мультипрограммного режима является совмещение во времени работы МП и выполнение манипуляций периферийными устройствами.
Достоинство мультипрограммного режима по сравнению с однопрограммным режимом — более эффективное использование ресурсов. В оперативной памяти компьютера находится одновременно несколько программ, но в любой момент времени МП выполняет только одну.
Многозадачный режим. В ряде случаев необходимо, чтобы выполнение нескольких программ было скоординированным и подчиненным достижению одной общей цели. Для этого в ОС должны быть средства, позволяющие задачам взаимодействовать друг с другом. Операционная система, в которой реализованы указанные средства, обеспечивает функционирование в многозадачном режиме.
Назначение операционной системы. Основная цель ОС, обеспечивающей работу компьютера в любом из описанных режимов, — динамическое распределение ресурсов и управление ими в соответствии с требованиями вычислительных процессов. Ресурсом является всякий объект, который может распределяться операционной системой между вычислительными процессами в компьютере.
Различают аппаратурные и программные ресурсы. К аппаратурным относятся микропроцессор, оперативная память и периферийные устройства; к программным ресурсам — доступные пользователю программные средства для управления вычислительными процессами и данными. Операционная система является посредником между компьютером и пользователем, осуществляет анализ запросов пользователя и обеспечивает их выполнение.
Состав и функции ОС сильно зависят от режима работы ПК, а также от состава м конфигурации аппаратных средств. Наиболее мощные ОС используются в мультипроцессорных диалоговых вычислительных комплексах и компьютерных сетях.
Программные модули хранятся, как правило, на магнитных дисках и в меру необходимости передаются в оперативную память для выполнения. Однако некоторая часть ОС, которую называют ядром ОС, после включения компьютера и инициализации системы постоянно находится в оперативной памяти. Сами эти программы получили название резидентных программ. В оперативной памяти кроме области ядра выделяется транзитная область, в которую в меру необходимости загружаются другие, так называемые транзитные программы ОС. Соответственно все команды ОС обычно подразделяются на резидентные и транзитные.
Источник: studbooks.net