Операционные системы промышленных КСК Лекция 1 История ВТ и ОС. Назначение и функции операционных систем. Основные определения. - презентация

1 Операционные системы промышленных КСК Лекция 1 История ВТ и ОС. Назначение и функции операционных систем. Основные определения.

2 Вычислительная система (Calculation System) Hardware (процессор, память, монитор, диски) Software (ПО) Прикладное Системно е Что такое ОС? ОС Это виртуальная машина, с которой работает пользователь (интерфейс между пользователем и компьютером) Это менеджер ресурсов Это защитник пользователей и программ Это постоянно функционирующее ядро Но первичным всегда остается Hardware !

3 Развитие техники. Механические устройства Первое достоверно известное механическое вычислительное устройство - абак применялся в Др.Греции, Риме, а затем в Западной Европе вплоть до 18 в., китайский аналог абака суан-пан, в наших краях абак известен как счеты В 1590-х годах Джон Непер пришел к идее логарифмических вычислений и составил первые таблицы логарифмов, которые упростили операции деления и умножение. В 1617 году Непер придумал еще один, не логарифмический способ перемножения чисел, который применил в своем новом устройстве, получившем название «палочки Непера». Оно состояло из брусков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения какого-либо числа бруски располагали рядом так, чтобы цифры на торцах составляли это число. Ответ можно было увидеть на боковых сторонах брусков. Помимо умножения, палочки Непера позволяли выполнять деление и извлекать квадратный корень.

4 Развитие техники. Механические устройства В 1642 году Блез Паскаль сконструировал счетное устройство, которое представляло собой смонтированную в деревянном корпусе систему зубчатых колес, вращающих наборные диски с цифрами. Результат вычислений считывался в специально прорезанных в корпусе окошечках, а «умела» машина только складывать и вычитать десятичные числа. В 1671 году Лейбниц изобрел устройство, которое уже могло не только складывать, но и умножать числа. Принцип работы был аналогичен тому, который использовался в суммирующей машине Паскаля. Однако Лейбниц включил в свою конструкцию движущуюся часть (подвижную каретку) и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо, а в более поздних вариантах машины внутри аппарата располагались даже цилиндры, что позволило ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение также выполнялось автоматически. По сути дела, калькулятор осуществлял механическую имитацию известного алгоритма «умножение в столбик». И этот метод, использовался во всех механических калькуляторах последующих веков.

5 В 1821 году Чарльз Беббидж, финансируемый Британским правительством, начал работу над своей вычислительной машиной. В 1823 году она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы. В 1833 году он начал работать над первым в мире многоцелевым вычислительным устройством, получившим название аналитической машины. Для этого аппарат должен был уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт. Помимо этого, устройство должно было иметь «память» для запоминания данных и промежуточных результатов, эту функцию в машине Беббиджа тоже выполняли перфокарты. Созданный Беббиджем аппарат мог оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохранял до 1000 чисел. Впервые в его аналитической машине было реализовано условное выполнение операций прообраз современного оператора IF. Развитие техники. Механические устройства. В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

6 Перфокарты и перфоленты

7 Развитие техники. Механические устройства. В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. Предупреждение, напечатанное на большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало девизом послевоенной эры. Чарльзу Бэббиджу в его работе помогала математик Ада Ловлас (1815–1852), известная как дочь поэта Байрона и как «первая программистка». Она создала для машины несколько программ, которые хранились на перфокартах. Электромеханический Марк 1, США, 1944 Машина Холлерита (IBM)

8 Развитие техники. Электромеханические устройства. С 1930-х такие компании как Friden, Marchant и Monro начали выпускать настольные механические калькуляторы. Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк.VII, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и 177 миниатюрных тиратроновых трубок. В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Уже Z1 была создана на базе двоичной логики. Z3 была построена уже на телефонных реле и стала первым работающим компьютером, управляемым программой. В Z3 впервые был представлен ряд новшеств: арифметика с плавающей запятой, замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Репродукция компьютера Zuse Z1 в Музее техники, Берлин

9 Во время Второй мировой войны: Разработки в условиях секретности. Германия - серия телеграфных шифровальных систем (Энигма, Lorenz SZ 40/42) Великобритания – анализ немецких шифров с помощью электромеханических машин (Алан Тьюринг и Гордон Уэлшман). Создание машины «Колосс» (Макс Ньюман, Томми Флауэрс). «Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. Развитие техники. Электронные устройства. Британский Colossus

10 Первый период ( гг) Ламповые машины. Операционных систем нет Строго последовательная обработка данных ! Программирование на машинном языке Организация вычислительного процесса вручную каждым программистом с пульта управления Загрузка программы с помощью панели переключателей, либо перфокарт ВС выполняет одновременно только одну операцию (ввод-вывод, либо собственно вычисления) Возникают первые компиляторы Fortran, Assembler для IBM-701

11 Съемный ламповый модуль БЭСМ Первый период ( гг) Ламповые машины. МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, Стрела, Минск-1, Урал-1, Урал- 2, Урал-3, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, Раздан, IBM-701 общая масса - 30 т число электронных ламп - 18 тыс потребляемая мощность к Вт ОЗУ разрядных десятичных чисел время операции сложения - 0,0002 с время операции умножения - 0,0028 с М1 – наша первая ЭВМ

12 Второй период (1955 г. – начало 60-х гг.) Транзисторные машины Появление полупроводниковых элементов: ЛАМПЫ ТРАНЗИСТОРЫ Повышение надежности Снижение потребления электроэнергии Уменьшение размеров Снижение стоимости

13 Второй период (1955 г. – начало 60-х гг.) Транзисторные машины Пакетные операционные системы Появляются первые системы пакетной обработки Развитие алгоритмических языков LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 Разделение персонала на программистов и операторов Изменение процесса прогона программ: пользователь приносит задание (колода перфокарт) и оператор вводит задание в память машины и запускает его на исполнение. Поскольку смена запрошенных ресурсов вызывает остановку работы программ и процессор простаивает, для повышения эффективности задания с похожими ресурсами собирают вместе, создавая пакет заданий.

14 Третий период (начало 60-х – 1980 г.) Компьютеры на основе интегральных микросхем. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРЫ ВС становится более надежной и дешевой Повышается производительность процессоров Растет сложность и количество решаемых задач IBM –

15 Третий период (начало 60-х – 1980 г.) Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС Появление магнитной ленты – устройства последовательного доступа Системные буферы на выходе Режим подкачки-откачки данных или spooling (Simultaneous Peripheral Operation On line) Аппарат прерываний Магнитные диски – устройства прямого доступа Планирование заданий Мультипрограммирование - пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор выполняет другую программу

16 Третий период (начало 60-х – 1980 г.) Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС Появление электронно-лучевых дисплеев Time-sharing (системы разделения времени) - процессор переключается между операциями не только на время операций ввода-вывода, но и просто по прошествии определенного времени => пользователи могут интерактивно взаимодействовать со своими программами => возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе Запись информации не посредством перфокарт, а непосредственно с клавиатуры на диск Появление On-line файлов привело к разработке файловых систем Внешняя эволюция: до этого вычислительные комплексы были несовместимы. Первое семейство программно совместимых компьютеров, построенных на ИС было IBM/360, затем последовала линия компьютеров PDT, совместимых с IBM. У нас серия ЕС ЭВМ и СМ.

17 Третий период (начало 60-х – 1980 г.) Компьютеры на основе интегральных микросхем. ЕС 1020 Процессор ЕС 1030 ЕС 1060

18 Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время) Персональные компьютеры. Классические сетевые и распределенные системы БИС, СБИС ИС Резкое возрастание интеграции и снижение стоимости микросхем Первоначально персональные компьютеры предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их ОС (например пропала необходимость защиты файлов памяти, планирования заданий) В середине 80-х развитие сетей компьютеров => развитие сетевых и распределенных ОС Массовость, общедоступность

19 Пятый период. Суперкомпьютеры. Параллельные вычисления и системы искусственного интеллекта В то время как предыдущие поколения совершенствовались за счёт увеличения количества элементов на единицу площади (миниатюризации), компьютеры пятого поколения должны были для достижения сверхпроизводительности интегрировать огромное количество процессоров. Компьютеры Cray стали классикой в области векторно-конвейерных суперкомпьютеров. Первые сверхвысокопроизводительные векторные компьютеры: Cray-1 (1976 год), ILLIAC-IV, STAR-100, ASC. МВС15000 Маренострум

20 Сравнительные характеристики Характеристики поколения IIIIIIIV Период Основной элемент Эл. лампа ТранзисторИСБИС, СБИС Количество ЭВМ в мире (шт) Сотни Тысячи Десятки тысяч Миллионы Примеры БЭСМ-1,2, Стрела, IBM 701 Минск-2, Урал- 14, Мир, Наири IBM 360 Иллиак, Эльбрус Быстродействие (оп/сек) тыс.до 1 млн 100 тыс – 1 млн 2*10^7 Носитель информации Перфокарта Магнитная лента Диск Гибкий диск

21 Операционная система (ОС) – это комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между пользователем и аппаратными компонентами вычислительных машин и вычислительных систем, а с другой стороны предназначен для эффективного управления вычислительными процессами, а также наиболее рационального распределения и использования вычислительных ресурсов. Основные определения.

22 ОС выполняет два вида взаимосвязанных функций и рассматривается в двух аспектах: - управление распределением ресурсов вычислительной системы для обеспечения ее эффективной работы; ОС является менеджером ресурсов; - обеспечение пользователей набором средств для облегчения проектирования, программирования, отладки и сопровождения программ; ОС является виртуальной машиной, предоставляющей пользователю удобный интерфейс.

23 Основные определения. ОС в организации вычислительного процесса

24 Основные определения. ОС как менеджер ресурсов должна обеспечивать: – загрузку пользовательских программ в оперативную память; – выполнение этих программ путем организуя работу процессора; – работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски и т.д. (как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные); – стандартный доступ к различным устройствам ввода/вывода, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства.

25 При этом в современных вычислительных системах реализуются следующие возможности: – параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач; – распределение ресурсов компьютера между задачами; – организация взаимодействия задач друг с другом; – взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами; – организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов; – защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ. Основные определения.

26 ОС как виртуальная машина должна предоставлять некий интерфейс, избавляющий пользователя от непосредственной работы с аппаратурой и организации вычислительного процесса (в частности, распределения ресурсов и их защиты). Здесь можно говорить о двух уровнях (или видах) интерфейсов: - пользовательском, предназначенном для работы с готовыми приложениями; это все интерфейсные средства в диапазоне от командной строки до развитых графических оболочек; - программном, или интерфейсе прикладного программирования, представляющем собой средства для обращения к возможностям ОС при создании собственных приложений (фактически это системные функции, доступные разработчику). Основные определения.

27 Операционная оболочка (operation shell) – комплекс программ, ориентированных на определенную операционную систему и предназначенный для облегчения диалога между пользователем и компьютером при выполнении определенных видов деятельности на компьютере. Основные определения. В соответствии со способом представления объектов оболочки можно разделить на два класса: - графические, где используются визуальные средства представления (иконки, пиктограммы) и технология манипулирования объектами путем «перетаскивания»; - неграфические (текстовые), где объекты представлены именами и обрабатываются посредством команд, систем меню и горячих клавиш.

28 Операционные среды. Под операционной средой (operating environment) понимается комплекс средств, обеспечивающих разработку и выполнение прикладных программ и представляющих собой набор функций и сервисов операционной системы и правил обращения к ним. В общем случае операционная среда включает операционную систему, программное обеспечение, интерфейсы прикладных программ, сетевые службы, базы данных, языки программирования и другие средства выполнения работы на компьютере – в зависимости от решаемых задач. Основные определения.