Основы операционных систем Лекция 1 - 21.02.081 Основы операционных систем Сергей Дмитриевич Кузнецов kuzloc@ispras.ru тел. 912-4601. - презентация

1 Основы операционных систем Лекция Основы операционных систем Сергей Дмитриевич Кузнецов тел

2 Основы операционных систем Лекция Основной источник В.Е. Карпов, К.А. Коньков. «Основы операционных систем» Под редакцией член.-корр. РАН В.П. Иванникова Интернет-Университет Информационных технологий, Москва,

3 Основы операционных систем Лекция План курса (1) 1. Введение 2. Процессы 3. Планирование процессов 4. Кооперация процессов 5. Алгоритмы синхронизации 6. Механизмы синхронизации 7. Тупики 8. Организация памяти, управление памятью

4 Основы операционных систем Лекция План курса (2) 9. Виртуальная память, аппаратная поддержка 10. Управление виртуальной памятью 11. Понятие файла 12. Реализация файловых систем

5 Основы операционных систем Лекция Лекция 1. Введение Понятие операционной системы Эволюция развития операционных систем Функции операционных систем Подходы к построению операционных систем

6 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (1) Структура вычислительной системы Аппаратное обеспечение (процессор, память, терминал, дисковые устройства и т.д., объединенные шиной) Программное обеспечение – прикладное и системное Разбиение условно Операционная система – фундаментальная часть системного ПО

7 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (2) Структура вычислительной системы Пользователь Прикладные программы Прочие системные программы Операционная система Аппаратное обеспечение Системные программы Программное обеспечение Слои программного обеспечения

8 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (3) Точки зрения на ОС Операционная система как виртуальная машина Интерфейс между пользователем и компьютером Скрывает особенности устройств внешней памяти Скрываются детали обработки прерываний, управления памятью и т.д. Создается иллюзия неограниченного размера оперативной памяти и числа процессоров С виртуальной машиной проще иметь дело

9 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (4) Точки зрения на ОС Операционная система как менеджер ресурсов Буферизация на диске данных, предназначенных для печати, и организации очереди на печать Управление ресурсами и их защита для многопользовательских компьютеров Упорядоченное и контролируемое распределение процессоров, памяти и других ресурсов между различными программами

10 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (5) Точки зрения на ОС Операционная система как защитник пользователей и программ Проблема обеспечения безопасной совместной работы нескольких пользователей Никто не должен удалять или повреждать чужие файлы Программы одних пользователей не должны произвольно вмешиваться в работу программ других пользователей Должны пресекаться попытки несанкционированного использования вычислительной системы Операционная система организует безопасную работу пользователей и их программ

11 Основы операционных систем Лекция Понятие операционной системы (6) Точки зрения на ОС Операционная система как постоянно функционирующее ядро Операционная система - это программа, постоянно работающая на компьютере и взаимодействующая со всеми прикладными программами Во многих операционных системах постоянно работает на компьютере лишь часть – ядро Проще сказать, не что есть операционная система, а для чего она нужна, и что она делает Для выяснения этого вопроса кратко рассмотрим историю развития вычислительных систем

12 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (1) Аппаратное и программное обеспечение эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга Новые технические возможности приводили к созданию удобных, эффективных и безопасных программ, а новые идеи в области ПО стимулировали поиски новых технических решений Удобство, эффективность и безопасность играли роль факторов естественного отбора при эволюции вычислительных систем

13 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (2) Первый период ( ) Ламповые машины; операционные системы отсутствуют В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства, и появился принцип программы, хранимой в памяти машины (Джон фон Нейман, июнь 1945г) Одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины Скорее научно-исследовательская работа Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке

14 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (3) Первый период ( ) Все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию Отладка программ велась с пульта управления

15 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (4) Первый период ( ) Первое системное ПО В гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.) В 1954 г. Нэт Рочестер (Nat Rochester ) разрабатывает ассемблер для IBM-701 Первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования (последовательная обработка)

16 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (5) Второй период (1955-Начало 60-х) Компьютеры на основе транзисторов; пакетные операционные системы Повышению надежности компьютеров Снижение потребления электроэнергии Упрощение систем охлаждения Уменьшение размеров компьютеров Удешевление эксплуатации и обслуживания Начало использования ЭВМ коммерческими компаниями

17 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (6) Второй период (1955-Начало 60-х) Бурное развитие алгоритмических языков (ALGOL-58, LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.) Появление компиляторов, редакторов связей, библиотек математических и служебных подпрограмм Упрощение процесса программирования Разделение персонала на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин

18 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (7) Второй период (1955-Начало 60-х) Изменился процесс прогона программ Пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт (задание) и указывает требуемые для нее ресурсы Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими требуемыми ресурсами собираются вместе, образуя пакет заданий

19 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (8) Второй период (1955-Начало 60-х) Первые системы пакетной обработки Автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой Увеличивают коэффициент загрузки процессора Формализованный язык управления заданиями Программист сообщает системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине Прообраз современных операционных систем Системные программы, предназначенные для управления вычислительным процессом

20 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (9) Третий период (Начало 60-х ) Компьютеры на основе интегральных микросхем; первые многозадачные ОС Вычислительная техника становится более надежной и дешевой Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами Повышается производительность процессоров Повышению эффективности использования процессорного времени мешает низкая скорость механических устройств ввода-вывода

21 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (10) Третий период (Начало 60-х ) Буферизация ввода/вывода Вначале реальные операции ввода-вывода осуществлялись в режиме off-line Затем - на том же компьютере, который производит вычисления Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line) или подкачка-откачка данных Позволяет совместить реальные операции ввода- вывода одного задания с выполнением другого задания Требует наличия аппарата прерываний

22 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (11) Третий период (Начало 60-х ) От магнитных лент к магнитным дискам При обработке пакета заданий на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась порядком их ввода При обработке пакета заданий на магнитном диске появляется возможность выбора очередного выполняемого задания Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий На счет то или иное задание выбирается в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д.

23 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (12) Третий период (Начало 60-х ) Мультипрограммирование - дальнейшее повышение эффективности использования процессора Пока одна программа выполняет операцию ввода- вывода, процессор выполняет другую программу Когда операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы Требуется наличие в памяти нескольких программ одновременно Каждая программа загружается в свой раздел оперативной памяти и не должна влиять на выполнение другой программы

24 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (13) Третий период (Начало 60-х ) Революция в строении вычислительной системы Аппаратная поддержка Реализация защитных механизмов Программы пользователей не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов Привилегированные и непривилегированные команды Переход управления от прикладной программы к ОС сопровождается контролируемой сменой режима Защита памяти для изолирования конкурирующих пользовательских программ друг от друга, а ОС от программ пользователей

25 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (14) Третий период (Начало 60-х ) Наличие прерываний Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие, например, завершилась операция ввода-вывода Внутренние прерывания (исключительные ситуации) возникают, когда выполнение программы приводит к ситуации, требующей вмешательства ОС Деление на ноль или попытка нарушения защиты

26 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (15) Третий период (Начало 60-х ) Наиболее существенные изменения в ОС Интерфейс между прикладной программой и ОС организуется в виде набора системных вызовов Организация очереди из заданий в памяти и выделение процессора одному из заданий требуют планирования заданий Для переключения процессора с одного задания на другое возникает потребность в сохранении содержимого регистров и структур данных, необходимых для продолжения выполнения задания, иначе говоря, контекста

27 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (16) Третий период (Начало 60-х ) Поскольку память является ограниченным ресурсом, требуются стратегии управления памятью, упорядочивающие процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти Для обеспечения санкционированного обмена данными между программами, нужны средства коммуникации Для корректного обмена данными необходимо предусмотреть координацию программами своих действий, т.е. средства синхронизации

28 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (17) Третий период (Начало 60-х ) Мультипрограммные пакетные системы дают окружение, в котором различные системные ресурсы используются эффективно Но пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием и должен был предусмотреть с помощью управляющих карт все возможные ситуации Отладка программ по-прежнему занимала много времени и требовала изучения распечаток содержимого памяти и регистров или использования отладочной печати

29 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (18) Третий период (Начало 60-х ) Логическим развитием идей мультипрограммирования стали системы разделения времени Процессор переключается между задачами не только на время операций ввода-вывода, но и просто по прошествии определенного интервала времени Эти переключения происходят столь часто, что пользователи могут взаимодействовать со своими программами во время их выполнения, то есть интерактивно Возможность одновременной работы многих пользователей на одной компьютерной системе

30 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (19) Третий период (Начало 60-х ) У каждого пользователя должна быть хотя бы одна программа в памяти Идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти для снижения ограничений на число пользователей Реализуется с помощью механизма виртуальной памяти Создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ Возможность вести отладку в интерактивном режиме, записывать информацию на диск непосредственно с клавиатуры Необходимости разработки развитых файловых систем

31 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (20) Третий период (Начало 60-х ) Внешняя эволюция вычислительных систем Идея создания семейств программно-совместимых машин, работающих под управлением одной и той же операционной системы Первым таким семейством машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360 Превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность За ней последовала линия компьютеров PDP, несовместимых с линией IBM, кульминацией которой стала PDP-11

32 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (21) Третий период (Начало 60-х ) Сила одного семейства была одновременно и его слабостью Поддержка всех моделей от миникомпьютеров до гигантских машин; обилие разнообразной периферии; различное окружение порождали сложную и огромную операционную систему В операционной системе OS/360 содержалось более 1000 известных ошибок Тем не менее, это привело к здравой идее стандартизации операционных систем, которая в дальнейшем получила активное развитие

33 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (22) Четвертый период (1980-настоящее время) Персональные компьютеры; классические, сетевые и распределенные системы Появление больших интегральных схем (БИС) Возрастание степени интеграции и удешевление микросхем Эра персональных компьютеров Однопользовательский режим Деградация архитектуры PC и их операционных систем Потребность в "дружественном" ПО Конец кастовости программистов

34 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (23) Четвертый период (1980-настоящее время) Потребность в "дружественном" ПО Конец кастовости программистов Со временем рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем

35 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (24) Четвертый период (1980-настоящее время) В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе PC Появились сетевые и распределенных операционных систем В сетевой ОС пользователи знают о наличии другого сетевого компьютера и могут воспользоваться его ресурсами В локальной ОС имеются программная поддержка сетевых интерфейсных устройств доступа к удаленным ресурсам Эти дополнения существенно не меняют структуру операционной системы

36 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (25) Четвертый период (1980-настоящее время) Распределенная система внешне выглядит как обычная автономная система Пользователь не знает и не должен знать, где хранятся его файлы и где выполняются его программы Может не знать, подключен ли компьютер к сети Внутреннее строение распределенной операционной системы существенно отличается от автономных систем Автономные ОС будем называть классическими

37 Основы операционных систем Лекция История эволюции вычислительных систем (26) Основные функции классических ОС Планирование заданий и использования процессора Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации Управление памятью Управление файловой системой Управление вводом-выводом Обеспечение безопасности Будем рассматривать общие принципы и алгоритмы реализации этих функций операционных систем

38 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (1) Системные вызовы В любой ОС поддерживается некоторый механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться за услугами ядра ОС В ОС БЭСМ-6 – экстракоды В ОС IBM – системные макрокоманды В ОС UNIX – системные вызовы Интерфейс между ОС и пользовательской программой Запрос сервиса у ОС Библиотеки системных вызовов

39 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (2) Системные вызовы При системном вызове процесс переходит в привилегированный режим, или режим ядра Иногда называют программными прерываниями Работает код ядра операционной системы в контексте вызвавшего его процесса Имеет полный доступ к памяти пользовательской программы Системный вызов осуществляется командой программного прерывания (trap, INT) Программное прерывание - это синхронное событие

40 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (3) Прерывания Внешнее прерывание - это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством Аппаратура информирует ЦП о том, что возникло какое либо событие, требующее немедленной реакции, либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода вывода Прерывания таймера Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер Аппаратное прерывание - это асинхронное событие

41 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (4) Исключительные ситуации Событие, возникающее при выполнении программой недопустимой команды, доступа к ресурсу при отсутствии достаточных привилегий или обращения к отсутствующей странице памяти Синхронные события Исправимые и неисправимые исключительные ситуации Исправимые исключительные ситуации - нормальное явление Неисправимые приводят к завершению программы

42 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (5) Файлы Под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации Главная задача файловой системы скрыть особенности ввода-вывода и обеспечить абстрактную модель файлов, независимых от устройств Системные вызовы create, delete, open, close, read, write Каталог, текущий каталог, корневой каталог, путь Для манипулирования - системные вызовы Подробно: лекции 11-12

43 Основы операционных систем Лекция Основные понятия, концепции ОС (6) Процессы, нити Концепция процесса в ОС является одной из наиболее фундаментальных Процессы подробно рассматриваются лекциях 2-7 Там же и нити

44 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (1) Монолитное ядро Компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы – ядра Все компоненты ОС являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур Перекомпиляция - это единственный способ добавить в ядро новые компоненты или исключить неиспользуемые Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем (Unix) Возможности структуризации

45 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (2) Слоеные системы Разбиение ВС на ряд уровней с хорошо определенными связями между ними, чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты из уровня N-1 Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль Система THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Э́дсгера Дейкстры (Edsger Wybe Dijkstra, 1968 г.) Система имела следующие уровни:

46 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (2) Слоеные системы

47 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (3) Слоеные системы Хорошо реализуются Хорошо тестируются Хорошо модифицируются Менее эффективны, чем монолитные

48 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (4) Виртуальные машины Несколько другой подход Операционная система реализует виртуальную машину для каждого пользователя, усложняя его жизнь Копия аппаратуры обеспечения, включая процессор, привилегированные и непривилегированные команды, устройства ввода-вывода, прерывания и т.д При попытке обратиться происходит системный вызов реальной операционной системы Можно загрузить свою собственную операционную систему CP/CMS или VM/370

49 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (5) Виртуальные машины Программа пользователя MS-DOSLinux Windows-NT Виртуальная аппаратура Виртуальная аппаратура Виртуальная аппаратура Реальная операционная система Реальная аппаратура Снижение эффективности, громоздкость Разные приложения

50 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (6) Микроядерная архитектура Большинство составляющих ОС являются самостоятельными программами Взаимодействие обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью

51 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (7) Микроядерная архитектура Микроядро Привилегированный режим Менеджер файловой системы Менеджер сети Менеджер памяти Приложение A Приложение B

52 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (8) Микроядерная архитектура Высокая степень модульности ядра Упрощает добавление новых компонентов Можно динамически загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Упрощается процесс отладки компонент ядра Но микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений Требуется тщательное проектирование

53 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (8) Смешанные системы В современных ОС используются различные комбинации подходов Ядро Linux – монолитная система с элементами микроядерной архитектуры Динамическая загрузка и выгрузка модулей BSD 4.4 и mkLinux на основе Mach Микроядро - управление виртуальной памятью и работа низкоуровневых драйверов Все остальные функции осуществляется монолитным ядром Стремление использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра

54 Основы операционных систем Лекция Архитектурные особенности ОС (9) Смешанные системы Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT Микроядро NT слишком сложно и велико (более 1 Мб) Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений Все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных Чисто микроядерный дизайн коммерчески непрактичен, так как слишком неэффективен

55 Основы операционных систем Лекция Классификация ОС (1) Существует несколько схем классификации операционных систем Классификация по некоторым признакам с точки зрения пользователя

56 Основы операционных систем Лекция Классификация ОС (2) Реализация многозадачности Два класса: Многозадачные (Unix, OS/2, Windows) Однозадачные (например, MS-DOS) Приблизительность классификации: в ОС MS-DOS можно организовать запуск дочерней задачи и одновременное сосуществование в памяти двух и более задач

57 Основы операционных систем Лекция Классификация ОС (2) Поддержка многопользовательского режима Однопользовательские ОС (MS-DOS, Windows 3.x Многопользовательские (Windows NT, Unix) У многопользовательских систем имеются механизмы защиты персональных данных каждого пользователя

58 Основы операционных систем Лекция Классификация ОС (3) Многопроцессорная обработка Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows NT и в ряде других Многопроцессорные ОС разделяют на симметричные и асимметричные В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре В асимметричных ОС процессоры неравноправны Обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave)

59 Основы операционных систем Лекция Классификация ОС (3) Системы реального времени Используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами Характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие Ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память

60 Основы операционных систем Лекция Следующий раз: Процессы и их поддержка в операционной системе