Операционюные системы 1 Тема 1. Введение. Назначение, функции и архитектура операционных систем. Основюные определения и понятия 1.1. Определение операционной системы (ОС). Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем 1.2. Эволюция операционных систем 1.3. Назначение, состав и функции ОС 1.4. Архитектуры операционных систем 1.5. Классификация операционных систем 1.6. Эффективность и требования, предъявляемые к ОС 1.7. Множественюные прикладюные среды. Совместимость 1.8. Инсталляция и конфигурирование операционных систем

Операционюные системы Определение операционной системы (ОС). Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем 1946 г. – ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) – полное отсутствие какого-либо ПО, программирование путем коммутации устройств. Начало 50-х г. – появление алгоритмических языков и системного ПО. Усложнение процессса выполнения программ: 1. Загрузка нужного транслятора. 2. Запуск транслятора и получение программы в машинных кодах. 3. Связывание программы с библиотечными подпрограммами. 4. Запуск программы на выполнение. 5. Вывод результатов работы на печатающее или другое устройство. Для повышения эффективности использования ЭВМ вводятся операторы, затем разрабатываются управляющие программы – мониторы - прообразы операционных систем г. – Первая ОС создана исследовательской лабораторией фирмы General Motors для IBM г. – ОС для IBM-704. Конец 50-х годов: язык управления заданиями и пакетная обработка заданий.

Операционюные системы г. – ОС MCP (Главная управляющая программа) для компьютеров B5000 фирмы Burroughs: мультипрограммирование, мультипроцесссорная обработка,виртуальная память, возможность отладки программ на языке исходного уровня, сама ОС написана на языке высокого уровня г. – ОС CTSS (Compatible Time Sharing System – совместимая система разделения времени для компьютера IBM 7094 – Массачусетский технологический институт г. – ОС MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) – Массачусетский технологический институт г. – (UNICS) UNIX (Uniplexed Information and Computing Service) для компьютера PDP-7, публикация статьи Ритчи (С) и Томпсона г. – PC (IBM), DOS (Seattle Computer Products) – MS DOS (Б. Гейтс) г. – Apple, Lisa с Apple, Lisa с GUI (Даг Энгельбарт – Стэнфорд) г. – Windows, X Windows и Motif (для UNIX) г. – MINIX (Э. Таненбаум) – стр. С и 800 ассемблер (микроядро – 1600 С и 800 ассемблер) 1991 г. – Linux (Линус Торвальдс).

Операционюные системы 4 Физические устройства (контроллеры, шины, монитор и т. д.) Микроархитектура (регистры ЦП, АЛУ) Утилиты Компиляторы Редакторы Интерпретаторы команд Прикладюные программы Конечный пользователь Программист Машинный язык Операционная система Разработчик ОС Расположение ОС в иерархической структуре программного и аппаратного обеспечения компьютера

Операционюные системы 5 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА - это набор программ, контролирующих работу прикладных программ и системных приложений и исполняющих роль интерфейса между пользователями, программистами, приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.

Операционюные системы Эволюция операционных систем Многопрог Динамическое распределение основной памяти второе рамюные Разделение времени, многотерминальюные системы UNIX (PDP-7), Ken Thompson поколение ОС 1965 Управляемое мультипрограммирование Классическое мультипрограммирование, OS/360 Однопрог- ОС CTSS (1963), MULTICS (начало работ) рамюные Оверлейюные структуры ОС Логическая система управления вводом-выводом (первое 1960 Системы прерываний, контрольюные точки поколение) Управление файлами, таймеры Спулинг (SPOOL) Мониторы 1955 Методы доступа, поли буферизация Загрузчики, редакторы связей Отсутствие ОС 1950 Диагностические программы (нулевое Ассемблеры, макрокоманды поколение) Библиотеки подпрограмм 1946 Первый компьютер

Операционюные системы 7 распре Windows 2003 делен-.NET Framework, MAC OS X юные 2000 Windows 2000 ОС Windows 4.0 – Windows 95 много- четвертое Корпоративюные информационюные системы процесс- поколение NetWare 4.0 – 93, Windows NT 3.1 – 93 сорюные ОС Linux ОС 1990 MINIX – 87 (11800 стр. С стр. Asm.) сетевые много- OS/ ОС машинюные 1985 OS-Net (Novell) - 83, MS-Net - 84, Windows 1.0 – 85 ОС Интернет (1983), Персональюные компьютеры (1981) MS DOS 1.0 – (1981) 1980 Сети ЭВМ, UNIX, TCP/IP третье Локальюные сети поколение 1975 SNA (System Network Architecture), MULTICS ОС Протокол X.25, телеобработка, базы данных 1965 Виртуальная ЭВМ, Виртуальная память 2005 Windows 2003, 64-разрядная

Операционюные системы 8 Операционюные системы IBM 1. BPS/360 (Базовая программная поддержка) 2. BOS/360 (Базовая операционная система) 3. TOS/360 (Ленточная операционная система) 4. DOS/360 (Дисковая операционная система) 5. OS/360 – PCP (Первичная управляющая программа) 6. OS/360 – MFT (Мультипрограммирование с фиксированным числом задач) 7. OS/360 – MVT (Мультипрограммирование с переменным числом задач) 8. OS/360 – VMS (Система с переменной памятью) 9. CP-67/CMS (Управляющая программа 67/ диалоговая мониторная система) 10. DOS/VS (Дисковая виртуальная система) 11. OS/VS1 (Виртуальная система 1) 12. OS/VS2 (Виртуальная система 2) 13. VM/370 (Виртуальная машина)

Операционюные системы Назначение, состав и функции ОС Назначение 1. Обеспечение удобного интерфейса [приложения, пользователь] - компьютер за счет предоставляемых сервисов: 1.1. Инструменты для разработки программ 1.2. Автоматизация исполнения программ 1.3. Единообразный интерфейс доступа к устройствам ввода-вывода 1.4. Контролируемый доступ к файлам 1.5. Управление доступом к совместно используемой ЭВМ и ее ресурсам 1.6. Обнаружение ошибок и их обработка 1.7. Учет использования ресурсов 2. Организация эффективного использования ресурсов ЭВМ 2.1. Планирование использования ресурса 2.2. Удовлетворение запросов на ресурсы 2.3. Отслеживание состояния и учет использования ресурса 2.4. Разрешение конфликтов между процесссами, претендующими на одни и те же ресурсы

Операционюные системы Облегчение процесссов эксплуатации аппаратных и программных средств вычислительной системы 3.1. Широкий набор служебных программ (утилит), обеспечивающих резервное копирование, архивацию данных, проверку, очистку, дефрагментацию дисковых устройств и др Средства диагностики и восстановления работоспособности вычислительной системы и операционной системы: - диагностические программы для выявления ошибок в конфигурации ОС; - средства восстановления последней работоспособной конфигурации; - средства восстановления поврежденных и пропавших системных файлов и др. 4. Возможность развития 4.1. Обновление и возникновение новых видов аппаратного обеспечения 4.2. Новые сервисы 4.3. Исправления (обнаружение программных ошибок) 4.4. Новые версии и редакции ОС

Операционюные системы 11 Состав компонентов и функции операционной системы: 1. Управление процесссами 2. Управление памятью 3. Управление файлами 4. Управление внешними устройствами 5. Защита данных 6. Администрирование 7. Интерфейс прикладного программирования 8. Пользовательский интерфейс

Операционюные системы Архитектуры операционных систем ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ АРХИТЕКТУРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ: 1. Концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы с ОС многослойной структуры. 2. Разделение модулей ОС по функциям на две группы: ядро – модули, выполняющие основюные функции ОС, и модули, выполняющие остальюные (вспомогательюные) функции. 3. Разделение модулей ОС по размещению в памяти вычислительной системы: резидентюные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитюные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций. 4. Реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного режима (режима ядра – kernel mode) или режима супервизора (supervisor) и пользовательского режима (user mode) или режима задача (task mode). 5. Ограничение функций ядра (а, следовательно и числа его модулей) до минимально необходимых функций.

Операционюные системы 13 Монолитная структура операционной системы От приложений системный интерфейс А п п а р а т у р а Модули Модули ОС Пример: ранние версии ядра UNIX, Novell NetWare. Каждая процедура имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов и может любую другую для выполнения нужной работы.

Операционюные системы 14 Модульно – интерфейсный подход (структурный подход) 1. Декомпозиция системы на на модули по структурному или функциональному признаку. 2. Модули и их взаимюные связи образуют абстракцию системы высокого уровня. 3. Описывается каждый модуль и определяется его интерфейс. 4. Проводится декомпозиция каждого модуля и т. д. Спецификации модулей и их интерфейсов дают структурную основу для проектирования каждого модуля и всей системы в целом. Правильное определение и выделение модулей представляет собой сложную задачу. Тесно связанюные между собой части системы должны входить в один и тот же модуль. Разработчики программного обеспечения начинают работу с очень грубого и неполного наброска схемы системы и преждевременно обращают внимание на детали отдельных модулей. Поэтому решения, влияющие на систему глобальным образом, принимаются не из тех предпосылок, из которых нужно и без ясного понимания их последствий. Преждевременная реализация приводит к неустойчивости программного обеспечения, которая часто требует огромных усилий по поддержанию системы.

Операционюные системы 15 Иерархическая структура вычислительной системы Утилиты ОС Системюные Библиотеки Приложения обрабатывающие процедур пользователей программы Пользовательский режим Привилегированный режим Ядро ОС А П П А Р А Т У Р А вычислительной системы

Операционюные системы 16 Многослойная (иерархическая) структура операционной системы и метод проектирования «сверху вниз» и «снизу вверх» 1. Операционная система представляется в виде иерархии слоев. 2. Верхний слой определяет виртуальную машину с желаемыми свойствами. 3. Каждый следующий слой детализирует вышележащий, выполняя для него некоторый набор функций. 4. Межслойюные интерфейсы подчиняются строгим правилам. Связи внутри слоя могут быть произвольными. 5. Отдельный модуль слоя L(i) может выполнить работу самостоятельно или последующим вариантам: обратиться только к слою L(i –1); обратиться к некоторой команде определенного слоя L(q), который выполняет требуемую функцию (i – 1 <= q <= 0); обратиться к любому последующему слою L(s), (i – 1 <= s <= 0). 1. Между уровнями можно организовать четкий интерфейс. 2. Систему можно спроектировать методом «сверху вниз», а реализовать методом «снизу вверх». 3. Уровни реализуются в соответствии с их порядком, начиная с аппаратуры и далее вверх. 4. Каждую новую виртуальную машину можно детально проверить, после чего продолжать дальнейшую работу. 5. Любой слой достаточно просто модифицировать, не затрагивая другие слои и не меняя межслойюные интерфейсы. Достоинства:

Операционюные системы 17 Аппаратура Средства ап. поддержки ОС Машинно-зависимые Модули ядра ОС Базовые механизмы ядра Менеджеры ресурсов Файловая сис., вирт. память и др. Интерфейс системных вызовов API Утилиты, системюные программы Приложения пользователей

Операционюные системы 18 Средства аппаратной поддержки ОС 1. Средства поддержки привилегированного режима: системюные регистры процесссора, слово состояния процесссора, привилегированюные команды, привилегированюные режимы. 2. Средства трансляции адресов: буферы быстрой трансляции виртуальных адресов, регистры процесссора, средства поддержки сегментно-страничных таблиц. 3. Средства переключения процесссов: регистры общего назначения, системюные регистры и указатели, флаги операций. 4. Система прерываний: регистры и флаги прерываний, регистры масок, контроллеры прерываний. 5. Системный таймер и системюные часы. 6. Средства защиты памяти: граничюные регистры, ключи. Недостатки иерархической организации ОС: 1. Значительюные изменения одного из уровней могут иметь трудно предвидимое влияние на смежюные уровни. 2. Многочисленюные взаимодействия между соседними уровнями усложняют обеспечение безопасности.

Операционюные системы 19 Смена режимов при выполнении вызова функции ядра Работа приложения Системный вызов Пользовательский режим Привилегированный режим Работа ядра Время переключения режимов

Операционюные системы 20 Микроядерная архитектура Аппаратура Средства аппаратной поддержки ОС Аппаратура МИКРОЯДРО (режим ядра) Машинно-зависимые модули Базовые механизмы ядра Утилиты сист. программирования Приложения пользователей Средства аппаратной поддержки ОС Аппаратура API Сервер безопасности ы ыы Файловая система Драйвер устройств Менеджер процесссов Менеджер виртуальной памяти Интерфейс системы ввода-вывода Утилиты ОС, приложения РЕЖИМ ЯДРА Пользовательский режим

Операционюные системы 21 Структура ОС клиент-сервер Приложение А П П А Р А Т У Р А МИКРОЯДРО Сервер памяти Файл- сервер Принт- сервер РЕЖИМ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ РЕЖИМ ЯДРА Запрос Ответ Запрос Ответ Сервер процесссов

Операционюные системы 22 Смена режимов при выполнении вызова функции микроядра Приложение Системный вызов МИКРОЯДРО СЕРВЕР ОС Приложение tttt Р Е Ж И М Я Д Р А Р Е Ж И М ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Достоинства: единообразюные интерфейсы, расширяемость, гибкость, переносимость, надежность, поддержка распределенных систем, поддержка объектно-ориентированных ОС.

Операционюные системы Классификация операционных систем 1. Назначение ( универсальюные, специализированюные ) 2. Способ загрузки 3. Особенности алгоритмов управления ресурсами 3.1. Многозадачность однозадачюные (MS DOS) невытесняющая многозадачность (Windows 3.x, NewWare) вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, Unix) 3.2. Многопользовательский режим отсутствие (MS DOS, Windows 3.x) имеется (Windows NT, OS/2, Unix) 3.3. Многопроцесссорная обработка отсутствие асимметричюные ОС симметричюные ОС

Операционюные системы Область использования и форма эксплуатации пакетная обработка разделение времени реальное время 5. Аппаратная платформа 5.1. ОС для смарт-карт (с интерпретатором виртуальной Java- машины) 5.2. Встроенюные ОС (Palm OS, Windows CE –Consumer Electronics) 5.3. ОС для ПК (Windows 9.x, Windows 2000, Linux, Mac OS X) 5.4. ОС мини-ЭВМ (RT-11 и RSX-11M для PDP-11, UNIX для PDP-7) 5.5. ОС мэйнфреймов (OS/390 – пакетная обработка, разделение времени, обработка транзакций) 5.6. Серверюные операционюные системы для ЛВС, Интранет и Интернет (UNIX, Windows 2000/2002, Linux) 5.7. Кластерюные операционюные системы (Windows 2000 Cluster Server, Sun Cluster (Solaris))

Операционюные системы Эффективность и требования, предъявляемые к операционным системам 1. Эффективность – степень соответствия своему назначению, техническое совершенство и экономическая целесообразность 2. Надежность и отказоустойчивость 3. Безопасность (защищенность) 4. Предсказуемость 5. Расширяемость 6. Переносимость 7. Совместимость 8. Удобство 9. Масштабируемость

Операционюные системы Множественюные прикладюные среды. Совместимость Совместимость – возможность операционной системы выполнять приложения, разработанюные для других операционных систем. Виды совместимости: 1. На двоичном уровне (уровень исполняемой программы). 2. На уровне исходных текстов (уровень исходного модуля). Вид совместимости определяется: 1. Архитектурой центрального процесссора. 2. Интерфейсом прикладного программирования (API). 3. Внутренней структурой исполняемого файла. 4. Наличием соответствующих компиляторов и библиотек. Способы достижения совместимости: 1. Эмуляция двоичного кода. 2. Трансляция библиотек. 3. Создание множественных прикладных сред различной архитектуры.

Операционюные системы 27 Обычное приложение OS1 Приложение OS2 API OS2 Приложение OS3 API OS3 API OS1 Менеджеры ресурсов Базовые механизмы Машинно-независимые задачи Пользовательский режим Привилегированный режим Прикладная среда OS2Прикладная среда OS3

Операционюные системы 28 API OS2 Менеджеры ресурсов Базовые механизмы Машинно-независимые задачи API OS1API OS3 Приложение OS1 Приложение OS2 Приложение OS3 Пользовательский режим Привилегированный режим

Операционюные системы 29 МИКРОЯДРО Приложения Серверы ОС Приложение OS1 Приложение OS2 Приложение OS3 Привилегированный режим Прикладная программная среда OS3 Прикладная программная среда OS2 Прикладная программная среда OS1 Сетевой сервер Сервер безопасности Пользовательский режим

Операционюные системы 30 Подсистемы среды Windows 2000 Приложения Win32 Приложения POSIX Приложения OS/2 Подсистема Win32 Подсистема POSIX Подсистема OS2 Интегральюные подсистемы (службы сервера, рабочей станции и подсистема обеспечения безопасности) СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС (NT DLL.DLL) Режим пользователя Режим ядра