по курсу «Системное программное обеспечение»
доцента кафедры ИВТ Гродненского госуниверситета
канд. техн. наук Ливак Елены Николаевны
При подготовке лекции использовалось
«Методическое пособие
по многопользовательским многооперационным системам» (Internet-ресурс)
Классификация операционных
систем
Операционные системы различаются
ü особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами),
ü особенностями использованных методов проектирования,
ü типами аппаратных платформ,
ü критериями эффективности,
ü особенностями реализации сетевых решений
ü и многими другими свойствами.
От эффективности алгоритмов управления ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами
По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный или мультипрограммный режим работы.
Однопрограммные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером.
Они включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.
Мультипрограммирование, или многозадачность, - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре выполняются сразу несколько программ (создается видимость одновременного выполнения нескольких программ).
Замечание. Вообще говоря, мультипрограммность и многозадачность – близкие понятия, но не синонимы. Основное принципиальное отличие:
Мультипрограммность – это параллельное выполнение нескольких приложений, программист в этом случае не заботится о механизмах организации параллельной работы, эти функции выполняет ОС.
Мультизадачность предполагает, что программист заботится о параллельном выполнении и взаимодействии приложений.
В современной технической и научно-популярной литературе разницу не делают.
Мультипрограммные ОС, кроме функций однопрограммных ОС, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.
!!! Следует заметить, что не всякая
многозадачная система является многопользовательской, и не всякая
однопользовательская ОС является однозадачной.
Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:
При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс.
При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи.
ОС подразделяются на поддерживающие и неподдерживающие многонитевость.
Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).
Еще одним важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование.
Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.
Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
В современных ОС введены функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС.
Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам.
Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все процессоры, разделяя их между системными и прикладными задачами.
Замечание. Мы рассмотрели характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором.
Однако, на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области важное влияние оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.
ЗАДАНИЕ. Самостоятельно попытаться классифицировать ОС по особенностям реализации подсистем управления другими ресурсами.
На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована.
По типу аппаратуры различают операционные системы
· персональных компьютеров,
· мини-компьютеров,
· мейнфреймов,
· кластеров
· и сетей ЭВМ.
Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.
Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС.
Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы.
Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС (аппаратно-независимые). Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX.
В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.
Мультипрограммирование применяется для повышения эффективности вычислительной системы.
Эффективность же может пониматься как
§ общая пропускная способность вычислительной системы;
§ удобство работы пользователей, например, возможность интерактивной работы для нескольких пользователей или возможность работы одного пользователя с несколькими приложениями на одной машине;
§ реактивность системы – то есть способность системы выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением результата.
В зависимости от выбранного критерия эффективности операционные системы делятся на:
§ системы пакетной обработки (например, OC EC),
Системы пакетной обработки служат для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов.
Главной целью и критерием эффективности таких систем является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени.
Схема функционирования систем пакетной обработки данных:
ü в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам;
ü из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; (в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом).
!!! Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание.
Þ таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.
В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач.
Þ взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.
Основной недостаток систем пакетной обработки - изоляция пользователя-программиста от процесса выполнения его задач.
Системы разделения времени призваны исправить недостаток систем пакетной обработки данных.
Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой.
Каждой задаче выделяется только квант процессорного времени,
Þ ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым.
Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.
!!! Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как
1) на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе,
2) увеличивается время работы, так как выполняется более частое переключение процессора с задачи на задачу.
Таким образом, критерием эффективности систем
разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство
и эффективность работы пользователя.
Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п.
Существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме.
Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).
Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.
Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.
Замечание. Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.
При описании операционной системы часто указываются основные концепции, положенные в ее основу.
К базовым концепциям относятся:
· способы построения ядра ОС;
· построение на базе ООПодхода;
· наличие нескольких прикладных сред;
· распределенная организация ОС.
По способам построения ядра ОС подразделяются на
Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот.
Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме.
Недостаток - ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским.
Достоинство - ОС более гибкая - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.
Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно:
Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС.
Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра.
Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах.
В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера.