Операционные системы

Содержание
1. Введение. 5
1.1. Предмет и задачи курса. 5
1.2. Рекомендации по литературе. 5
1.3. Краткий очерк истории ОС.. 6
1.4. Классификация ОС.. 10
1.5. Критерии оценки ОС.. 11
1.6. Основные функции и структура ОС.. 14
1.7. ОС, используемые в дальнейшем изложении. 14
2. Управление устройствами. 14
2.1. Основные задачи управления устройствами. 14
2.2. Классификация периферийных устройств и их архитектура. 14
2.3. Прерывания. 14
2.4. Архитектура подсистемы ввода/вывода. 14
2.5. Способы организации ввода/вывода. 14
2.6. Буферизация и кэширование. 14
2.7. Драйверы устройств. 14
2.8. Управление устройствами в MS-DOS. 14
2.9. Управление устройствами в Windows. 14
2.10. Управление устройствами в UNIX.. 14
3. Управление данными. 14
3.1. Основные задачи управления данными. 14
3.2. Характеристики файлов и архитектура файловых систем.. 14
3.3. Размещение файлов. 14
3.4. Защита данных. 14
3.5. Разделение файлов между процессами. 14
3.6. Файловая система FAT и управление данными в MS-DOS. 14
3.7. Файловые системы и управление данными в UNIX.. 14
3.8. Файловая система NTFS и управление данными в Windows. 14
4. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ.. 14
4.1. Основные задачи управления процессами. 14
4.2. Реализация многозадачного режима. 14
4.3. Проблемы взаимодействия процессов. 14
4.4. Управление процессами в MS-DOS. 14
4.5. Управление процессами в Windows. 14
4.6. Управление процессами в UNIX.. 14
5. УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ... 14
5.1. Основные задачи управления памятью.. 14
5.2. Виртуальные и физические адреса. 14
5.3. Распределение памяти без использования виртуальных адресов. 14
5.4. Сегментная организация памяти. 14
5.5. Страничная организация памяти. 14
5.6. Сравнение сегментной и страничной организации. 14
5.7. Управление памятью в MS-DOS. 14
5.8. Управление памятью в Windows. 14
5.9. Управление памятью в UNIX.. 14
6. Литература. 14

1. В ведение
1.1. Предмет и задачи курса
Предметом изучения в данном курсе являются операционные системы (ОС) современных компьютеров.
В первом приближении ОС можно определить как комплекс программ, обеспечивающих интерфейс между аппаратурой компьютера, прикладными программами и пользователем компьютера. Соответственно этому определению, все функции, выполняемые ОС, подчинены решению двух основных задач:
· организации эффективной работы аппаратуры компьютера;
· обеспечению удобного использования ресурсов компьютера как прикладными программами, так и пользователем, работающим с компьютером.
Основной целью курса является изучение устройства и функционирования современных ОС. При этом будут рассматриваться два круга вопросов:
· основные принципы построения ОС, наиболее распространенные алгоритмы выполнения различных функций ОС, типовые структуры данных, используемые для обеспечения работы ОС;
· практическое воплощение этих принципов, алгоритмов, структур в наиболее распространенных современных ОС.
В задачи курса не входит обучение практическим приемам работы с конкретными ОС. Это гораздо лучше делать самостоятельно. С другой стороны, не ставится и задача научить слушателей разрабатывать новые ОС. Операционные системы не являются массовыми изделиями, и участвовать в их разработке доводится лишь меньшей части программистов. Уровень знаний, которого хотелось бы достичь при изучении данного предмета, можно сравнить с тем уровнем знаний об устройстве автомобиля, который полезен хорошему водителю. Он не обязательно должен быть автомехаником, однако должен в основных чертах понимать, что находится под капотом и как оно там крутится.
1.2. Рекомендации по литературе
Содержание лекционного курса не обязательно на 100% совпадет с данным конспектом, поэтому надежнее всего ходить на лекции и иметь к экзамену собственный конспект.
Из книг общего характера учебник /1/ более всего соответствует данному курсу, как по содержанию, так и в еще большей степени по общему взгляду на предмет. Эту книгу можно найти и в Сети, а также в локальной сети кафедры.
Похвалы и уважения заслуживает книга /2/ - огромный по объему и достаточно простой по изложению обзор всего важного об ОС.
Достаточно хороша также книга /3/, используемая как основной учебник по ОС во многих американских университетах.
Лентяям пригодится книга /4/, в которой, наряду с другими вопросами системного программирования, кратко и довольно толково изложены основные проблемы ОС. Правда, книга старовата.
Книги /5/ и /6/ содержат много полезного по практическим вопросам проектирования ОС, а /7/ остается хорошим источником по теоретическим и алгоритмическим вопросам.
Из литературы по Windows следует прежде всего рекомендовать классическую книгу /8/, которая делает понятными многие вопросы, трудно перевариваемые по официальной документации. Более глубокий разбор того, «как это сделано в Windows», можно найти в книге /9/. К сожалению, эта книга заметно уступает замечательной, но устаревшей по материалу книге того же автора /10/, которую, тем не менее, полезно прочесть тем, кого интересуют вопросы практической реализации ОС.
На фоне неисчислимых и неотличимых друг от друга пользовательских руководств по UNIX следует выделить достаточно серьезную работу /11/. Не потеряла интереса старенькая, тонкая книжка /12/, в которой содержится много полезного об основных структурах данных и алгоритмах UNIX. Намного подробнее те же вопросы рассмотрены в другой старой книге, которая давно приобрела известность в электронном варианте /13/. Бумажное издание этой книги на русском языке существует только в пиратском варианте, без указания имени автора.
Для тех, кого еще интересует MS-DOS, можно порекомендовать /14/, это одна из лучших книг на данную тему.
Некоторые алгоритмы, используемые при реализации различных ОС, хорошо изложены в классической книге /15/.
Большие коллекции литературы и документации по ОС имеются в Интернете. Среди русскоязычных сайтов можно рекомендовать, например, /16, 17, 18, 19, 20/.
Знание английского языка открывает доступ к морю свежей информации в Интернете. Огромная куча сведений по Windows содержится в /21/. На сайте /22/ можно найти интересные статьи по отдельным вопросам архитектуры Windows, а также скачать ряд полезных утилит. Из большого числа сайтов, посвященных UNIX и Linux, можно назвать, например, /23/ и /24/. На сайте /25/ можно найти много статей и книг по актуальным вопросам программирования, в том числе по ОС.
1.3. Краткий очерк истории ОС
Изучение истории развития ОС показывает, что все существенные продвижения в области архитектуры ОС связаны с влиянием двух основных факторов:
· прогресс технологии, приводящий к быстрому возрастанию характеристик аппаратуры ЭВМ и к появлению принципиально новых типов аппаратуры;
· принципиально новые идеи, возникающие у проектировщиков.
Не ввязываясь в давний спор материалистов с идеалистами, в данном частном случае приходится признать, что первый, материальный фактор определял развитие ОС на 80 – 90%. Такие технологические прорывы, как изобретение магнитных дисков, микропроцессоров, создание высококачественных видеомониторов, настоятельно требовали радикальных изменений в технологии работы с компьютером, и вследствие этого обуславливали создание принципиально новых типов ОС или их отдельных подсистем. С другой стороны, некоторые идеи в области организации вычислительного процесса и интерфейса дали серьезный толчок совершенствованию архитектуры компьютеров.
Не зная хотя бы в общих чертах основных этапов развития аппаратного и программного обеспечения, трудно понять многие особенности современных ОС.
Дополнительный аргумент в пользу знания истории заключается в том, что многие технические решения, которые, казалось, навсегда ушли в прошлое вместе с конкретными системами, неожиданно вновь оказываются актуальными на новом витке развития. Некоторые примеры такого рода будут рассмотрены в курсе.
1.3.1. Предыстория ОС
Вскоре после того, как в конце 40-х годов XX века были созданы первые электронные компьютеры, очень остро встала проблема повышения эффективности использования оборудования, и прежде всего центрального процессора.
Типичный компьютер первого – второго поколений представлял собой большую комнату, уставленную шкафами и увитую кабелями. Каждое из основных устройств – центральный процессор, оперативная память, накопители на магнитных лентах, устройства ввода с перфокарт, принтер – занимало один или несколько «шкафов» или «тумб», наполненных радиолампами и механическими частями.
Все это стоило больших денег, потребляло бешеное количество электроэнергии[1] и регулярно ломалось.
В таких условиях машинное время стоило очень дорого. Тем не менее, обычная практика использования ЭВМ не способствовала экономии. Как правило, программист, разрабатывающий программу, заказывал ежедневно несколько часов машинного времени и в течение этого времени монопольно использовал машину. Выполнив очередной запуск отлаживаемой программы (которую надо было каждый раз вводить либо с клавиатуры, либо, в лучшем случае, с перфокарт), пользователь получал распечатку (чаще всего в виде массива цифр), анализировал результаты, вносил изменения в программу и снова запускал ее. Таким образом, в ходе сеанса отладки дорогостоящее оборудование простаивало 99% времени, пока программист осмысливал результаты и работал с устройствами ввода/вывода. Кроме того, сбой при вводе одной перфокарты мог потребовать начать сначала всю работу программы.
Возникла великая идея – использовать сам компьютер для повышения эффективности работы с ним же.
Одно из ответвлений этой идеи – создание языков и систем программирования – рассматривается в отдельных курсах. Другим важным шагом стало возложение на специальную компьютерную программу части тех функций, которые до этого выполнял оператор или сам программист.
Программы такого рода назывались обычно мониторами (не путать с монитором как устройством вывода, который в то время был редчайшей экзотикой!). Монитор принимал команды, состоящие, как правило, из 1-2 букв названия и 1-3 аргументов, заданных 8-ричными или 16-ричными числами. Типичными командами были, например:
· загрузка данных с перфокарт по указанному адресу памяти;
· просмотр и корректировка (с пишущей машинки) значений в указанном диапазоне адресов;
· пошаговое выполнение программы с выдачей результатов каждой команды на пишущую машинку;
· запуск программы с указанного адреса с заданием адресов контрольных точек остановки.
Несмотря на убогость, по нынешним меркам, подобных средств, они в свое время значительно повысили производительность работы программистов. Однако кардинального повышения загрузки процессора не произошло.
Временем широкого распространения мониторов в мире были 50-е годы прошлого века (в СССР – 60-е годы). В настоящее время нечто подобное можно встретить на самых примитивных микропроцессорных контроллерах.
1.3.2. Пакетные ОС
Историю собственно ОС можно начать с появления в конце 50-х годов первых систем, организующих работу по пакетному принципу.
Важнейшим организационным изменением, происшедшим на этом этапе развития, стало массовое изгнание программистов из машинных залов, как фактора, лишь вносящего сумятицу в работу.
Теперь от программиста требовалось собрать пакет перфокарт, содержащий его программу, данные к ней, а также управляющие перфокарты. Эти карты на специально разработанном языке управления заданиями (JCL, JobControlLanguage) объясняли операционной системе, чье это задание, что нужно сделать с программой (например, передать ее транслятору с Фортрана), что предпринять в случае успешной трансляции (вероятно, пустить на решение), что – при наличии ошибок (например, перейти к другой программе), откуда взять исходные данные (например, с такого-то цилиндра магнитного диска). Кроме того, там могли быть даже указания на то, сколько метров бумаги можно выделить на распечатку и какое максимальное время может занять работа программы.
Обойтись без столь подробных инструкций было нельзя, потому что программист не присутствовал при запуске задания и не мог вмешаться лично.
Подготовленный пакет передавался, вместе с другими подобными пакетами, оператору ЭВМ, перед которым стояли две основные задачи: чтобы в устройстве ввода не переводились пакеты заданий и чтобы в принтере не кончилась бумага. Когда процессор заканчивал обработку задания и печать его результатов, он вводил следующий пакет и приступал к его обработке. Так достигалась основная цель пакетного режима – исключить простои процессора из-за нерасторопности людей.
В скором времени разработчики ОС осознали, что вычерпаны далеко не все резервы повышения загрузки процессора. Операции ввода и печати требовали лишь очень небольшой доли от полной производительности процессора. Кроме того, в ходе работы программы случались обращения к периферийным устройствам (например, к магнитным лентам и, позднее, дискам), при выполнении которых процессор опять простаивал. Целесообразно было найти способ, чтобы в эти периоды ожидания загрузить процессор другой работой. Но для этого необходимо, чтобы в памяти процессора находились сразу несколько программ, тогда ОС смогла бы переключать процессор на выполнение той программы, которая в данный момент может работать.
Такая организация работы, когда в памяти находятся несколько программ и система в определенные моменты переключает выполнение с одной программы на другую, была названа мультипрограммированием . Эта важная идея в разных воплощениях пережила те пакетные системы, в которых она впервые была реализована, и является основой для функционирования практически всех современных ОС.
Среди наиболее развитых пакетных ОС с мультипрограммированием нельзя не назвать OS/360, основную ОС знаменитого в 60-70 гг. семейства ЭВМ IBM 360/370.
1.3.3. ОС с разделением времени
На рубеже 60-70 гг. распространенным и не слишком дорогим периферийным устройством становятся мониторы (сначала монохромные и работающие только в текстовом режиме). При этом процессор и ОЗУ остаются самыми дорогими и громоздкими устройствами вычислительной системы. В этих условиях возникает и быстро приобретает популярность принципиально новый тип ОС – системы с разделением времени .
К одной ЭВМ подключается несколько десятков рабочих мест, оборудованных дисплеем (монитор + клавиатура) и совместно использующих вычислительные ресурсы ЭВМ. Процессорное время делится на кванты длительностью в несколько десятков миллисекунд и по истечении каждого кванта процессор может быть переключен на обслуживание другого процесса, другого дисплея. Поскольку теперь подготовку текстов программ выполняют сами программисты за дисплеями, а работа по редактированию текста требует очень малых затрат процессорного времени, процессор успевает обслужить все рабочие места практически без ощутимой задержки. Большая часть времени процессора уделяется небольшому числу рабочих мест, где в данный момент запущены на выполнение программы. При этом, разумеется, средняя скорость работы каждой программы уменьшается, по крайней мере во столько раз, сколько программ выполняется одновременно.
Режим разделения времени стал огромным облегчением для программистов, которые вновь смогли в некоторой степени почувствовать себя «хозяевами» ЭВМ и получили возможность запускать программы на трансляцию и отладку хоть каждые 5 минут. Это позволило сократить сроки разработки и отладки программ.
Для трудоемких вычислительных заданий, предусматривающих счет по ранее отлаженным программам, режим разделения времени менее эффективен, чем пакетный, поскольку частое переключение процессора между выполняемыми программами требует дополнительных затрат времени.
Системы разделения времени используются в режиме диалога с пользователем, поэтому вместо громоздких, детализированных операторов JCL в них используются более простые команды, выполняющие элементарные действия – запуск программы, выдача на экран файла или каталога, копирование или удаление файла и т.п. Пользователю не нужно предвидеть заранее все возможные исходы выполнения команды, гораздо проще увидеть результат выполнения на экране и после этого принять решение, какую команду выполнять следующей. В то же время, некоторые часто повторяющиеся последовательности команд удобно описать один раз в виде «пакетного задания» и затем использовать при необходимости. В этом плане системы разделения времени сохраняют те удобные возможности, которые предоставляли пакетные системы.
Первоначально в качестве аппаратной основы систем разделения времени должны были использоваться «большие» ЭВМ, которые позднее стало принято называть «мейнфреймами» (mainframes). Позднее, по мере прогресса вычислительной техники, это стало по плечу даже миниЭВМ (так назывался в те годы класс компьютеров, занимавших всего лишь один-два небольших шкафчика). Следует особо упомянуть серию миниЭВМ PDP-11, имевшую широчайшее распространение во всем мире в течение полутора десятков лет.
Этот период (70-е годы в мире, 80-е в СССР) характерен глубоким развитием теории и практики создания мощных ОС, содержащих развитые средства управления процессами и памятью, реализующих многопользовательский режим работы. Из большого числа подобных систем особого упоминания заслуживает UNIX – единственная система, благополучно дожившая до нашего времени.
1.3.4. Однозадачные ОС для ПЭВМ
В середине 70-х годов был изобретен микропроцессор, а к началу 80-х микропроцессоры стали догонять по функциональным характеристикам ранее использовавшиеся «большие» процессоры. Эта ситуация сделала почти бесполезным режим разделения времени: зачем делить один процессор между многими задачами и многими пользователями, если проще и дешевле дать отдельный микропроцессор каждому пользователю? Разделение времени осталось целесообразным разве что в отношении суперкомпьютеров.
Появление и бурное распространение персональных компьютеров (ПК) вызвало к жизни новое поколение ОС, которые оказались во много раз проще своих предшественниц. Ненужной оказалась многопользовательская защита. На первых порах показалась ненужной и многозадачность. Все это можно было расценить как явный регресс в развитии ОС.
Наиболее популярной ОС для ранних восьмиразрядных ПК была система CP/M известной тогда фирмы DigitalResearch, однако с появлением в начале 80-х знаменитой машины IBMPC лидерство было прочно перехвачено системой MS-DOS фирмы Microsoft.
1.3.5. Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом
Быстрое развитие технологии привело к тому, что к концу 80-х годов ПК оказались в состоянии решать значительно более сложные и трудоемкие задачи, чем раньше. При этом многие из достижений прежних этапов развития ОС оказались вновь востребованными, но теперь уже в новых условиях, среди которых надо назвать резкое повышение мощности процессоров и объема памяти, появление высококачественных графических мониторов и развитие сетевых технологий.
Стала реальной такая вещь, как многозадачная ОС для ПК. Надо сказать, что первоначально идея системы, в которой один пользователь запускает одновременно несколько приложений, большинству специалистов казалась пустым пижонством и вызывала насмешки: «Почему бы не выполнить несколько программ по очереди?». Сейчас с таким взглядом смешно даже спорить.
А все же, как бы вы обосновали пользу многозадачности для современных ОС типа Windows?
На смену ОС, которые выполняли текстовые команды, вводимые пользователем с клавиатуры, пришли системы, в которых взаимодействие с пользователем основано на использовании GUI (GraphicalUserInterface, графический интерфейс пользователя).
Значительная часть ПК работает в составе локальных вычислительных сетей. Это привело к тому, что вопросы защиты данных пользователя вновь приобрели первостепенное значение.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию