Лекция 6. Виды операционных систем

Четвертый период (с 1980 г. По настоящее время). Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы

Следующий период в эволюции вычислительных систем связан с появлением больших интегральных схем (бис). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и снижение стоимости микросхем. Компьютер, не отличающийся по архитектуре от pdp-11, по цене и простоте эксплуатации стал доступен отдельному человеку, а не отделу предприятия или университета. Наступила эра персональных компьютеров. Первоначально персональные компьютеры предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих эвм и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т. П.).

Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения.

Однако 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.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем.

В сетевых операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера, только они должны знать об их наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы, отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения не меняют структуру операционной системы.

Распределенная система, напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся – на локальной или удаленной машине – и где его программы выполняются. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.

В дальнейшем автономные операционные системы мы будем называть классическими операционными системами.

Просмотрев этапы развития вычислительных систем, мы можем выделить шесть основных функций, которые выполняли классические операционные системы в процессе эволюции:

· Планирование заданий и использования процессора.

· Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.

· Управление памятью.

· Управление файловой системой.

· Управление вводом-выводом.

· Обеспечение безопасности

Каждая из приведенных функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся структурным компонентом ос. В каждой операционной системе эти функции, конечно, реализовывались по-своему, в различном объеме. Они не были изначально придуманы как составные части операционных систем, а появились в процессе развития, по мере того как вычислительные системы становились все более удобными, эффективными и безопасными. Эволюция вычислительных систем, созданных человеком, пошла по такому пути, но никто еще не доказал, что это единственно возможный путь их развития. Операционные системы существуют потому, что на данный момент их существование – это разумный способ использования вычислительных систем.

Как комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, операционная система представляет собой очень сложный конгломерат взаимо-связанных программных модулей и структур данных, которые должны обеспечи­вать надежное и эффективное выполнение вычислений. Большинство потенци­альных возможностей операционной системы, ее технические и потребительские параметры — все это во многом определяется архитектурой системы — ее структу­рой и основными принципами построения.

Основные принципы построения ос:

Частотный принцип. Основан на выделении в алгоритмах программ, а в обрабатываемых массивах действий и данных по частоте использования. Действия и данные, которые часто используются, располагаются в операционной памяти, для обес­печения наиболее быстрого доступа. Основным средством такого доступа является организация многоуровневого планиро­вания. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие и длинные операции управления деятельностью системы. К краткосрочному планированию подвергаются часто используемые и короткие операции. Система инициирует или преры­вает исполнение программ, предоставляет или забирает динамически требуемые ресурсы, и прежде всего центральный про­цессор и память.

Принцип модульности. Модуль - это функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с приня­тыми межмодульными интерфейсами. Модуль по определению предполагает возможность замены его на любой другой при наличии соответствующих интерфейсов. Чаще всего при построении ос разделение на модули происходит по функциональ­ному признаку. Важное значение при построении ос имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули. Привилегированные модули функционируют в привилегированном режиме, при котором отключается система пре­рываний, и никакие внешние события не могут нарушить последовательность вычислений. Реентерабельные модули допус­кают повторное многократное прерывание исполнения и повторный запуск из других задач. Для этого обеспечивается сохра­нение промежуточных вычислений и возврат к ним с прерванной точки. Повторно входимые модули допускают многократ­ное параллельное использование, однако не допускают прерываний. Они состоят из привилегированных блоков и повторное обращение к ним возможно после завершения какого-либо из этих блоков. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Максимальный эффект от использования достигается, если принцип распространяет­ся и на ос, и на прикладные программы, и на аппаратуру.

Принцип функциональной избирательности.Этот принцип подразумевает выделение некоторых модулей, которые долж­ны постоянно находиться в оперативной памяти для повышения производительности вычислений. Эту часть ос называют ядром. С одной стороны, чем больше модулей в озу, тем выше скорость выполнения операций. С другой стороны, объем памяти, занимаемой ядром, не должен быть слишком большим, поскольку в противном случае обработка прикладных задач будет низкоэффективной. В состав ядра включают модули по управлению прерываниями, модули для обеспечения мультизадачности и передачи управления между процессами, модули по распределению памяти и т.д.

Принцип генерируемости ос.Этот принцип определяет такой способ организации архитектуры ядра ос, который позво­лял бы настраивать его, исходя из конкретной конфигурации вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта про­цедура выполняется редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ос. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка. В результате генерации получается пол­ная версия ос, представляющая собой совокупность системных наборов модулей и данных. Принцип модульности сущест­венно упрощает генерацию. Наиболее ярко этот принцип используется в ос linux, которая позволяет не только генерировать ядро ос, но указывать состав подгружаемых, т.н. Транзитных модулей. В остальных ос конфигурирование выполняется в процессе инсталляции.

Принцип функциональной избыточности.Принцип учитывает возможность проведения одной и той же операции различ­ными средствами. В состав ос могут входить несколько разных мониторов, управляющих тем или иным видом ресурса, не­сколько систем управления файлами и т.д. Это позволяет быстро и достаточно адекватно адаптировать ос к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач и получить при этом максимальную производительность.

Принцип умолчания.Применяется для облегчения организации связи с системами, как на стадии генерации, так и при ра­боте с системой. Принцип основан на хранении в системе некоторых базовых описаний, структур процесса, модулей, конфи­гураций оборудования и данных, определяющих прогнозируемые объемы требуемой памяти, времени счета программы, по­требности во внешних устройствах, которые характеризуют пользовательские программы и условия их выполнения. Эту ин­формацию пользовательская система использует в качестве заданной, если она не будет заданна или сознательно не конкре­тизирована. В целом применение этого принципа позволяет сократить число параметров устанавливаемых пользователем, когда он работает с системой.

Принцип перемещаемости.Предусматривает построение модулей, исполнение которых не зависит от места расположения в операционной памяти. Настройка текста модуля в соответствии с его расположением в памяти осуществляется либо специ­альными механизмами, либо по мере ее выполнения. Настройка заключается в определении фактических адресов, исполь­зуемых в адресных частях команды, и определяется применяемым способом адресации и алгоритмом распределения опера­тивной памяти, принятой для данной ос. Она может быть распределена и на пользовательские программы.

Принцип виртуализации.Принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов), используя единую централизованную схему. Концепция виртуальности выражается в понятии виртуальной машины. Любая ос фактически скрывает от пользователя реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как доста­точно абстрактное устройство, способное воспринимать их программы, выполнять их и выдавать результат. Пользователю совершенно не интересна реальная конфигурация вычислительной системы и способы эффективного использования ее ком­понентов. Он работает в терминах используемого им языка и представленных ему виртуальной машиной ресурсов. Для не­скольких параллельных процессов создается иллюзия одновременного использования того, что одновременно в реальной системе существовать не может. Виртуальная машина может воспроизводить и реальную архитектуру, однако элементы ар­хитектуры выступают с новыми, либо улучшенными, характеристиками, зачастую упрощающими работу с системой. Иде­альная, с точки зрения пользователя, машина должна иметь:

- единообразную по логике работы виртуальную память практически неограниченного объема;

- произвольное количество виртуальных процессоров, способных функционировать параллельно и взаимодейство­вать во время работы;

- произвольное количество виртуальных внешних устройств, способных получать доступ к памяти виртуальной ма­шины последовательно или параллельно, синхронно или асинхронно. Объемы информации не ограничиваются.

Чем больше виртуальная машина, реализуемая ос, приближена к идеальной, т.е. Чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реальных, тем большая степень виртуальности достигнута. Ос строится как иерархия вложенных друг в друга виртуальных машин. Нижним уровнем программ является аппаратные средства машин. Следующим уровнем уже является программным, который совместно с нижним уровнем обеспечивает достижение машиной новых свойств. Каж­дый новый уровень дает возможность расширять функции возможности по обработке данных и позволяет достаточно просто производить доступ к низшим уровням. Применение метода иерархического упорядочивания виртуальных машин наряду с достоинствами: систематичность проекта, возрастание надежности программных систем, уменьшение сроков разработки имеет проблемы. Основная из них: определение свойств и количества уровней виртуализации, определения правил внесения на каждый уровень необходимых частей ос. Свойства отдельных уровней абстракции (виртуализации):

1. На каждом уровне ничего не известно о свойствах и о существовании более высоких уровней.

2. На каждом уровне ничего не известно о внутреннем строении других уровней. Связь между ними осуществляется только через жесткие, заранее определенные сопряжения.

3. Каждый уровень представляет собой группу модулей, некоторые из них являются внутренними для данного и доступ­ны для других уровней. Имена остальных модулей известны на следующим, более высоком уровне, и представляют собой сопряжение с этим уровнем.

4. Каждый уровень располагает определенными ресурсами и либо скрывает от других уровней, либо представляет дру­гим уровням их абстракции (виртуальные ресурсы).

5. Каждый уровень может обеспечивать некоторую абстракцию данных в системе.

6. Предположения, что на каждом уровне делается относительно других уровней, должны быть минимальными.

7. Связь между уровнями ограничена явными аргументами, передаваемыми с одного уровня на другой.

8. Недопустимо совместное использование несколькими уровнями глобальных данных.

9. Каждый уровень должен иметь более прочное и слабое сцепление с другими уровнями.

10. Всякая функция, выполняемая уровнем абстракции должна иметь единственный вход.

Принцип независимости поот внешних устройств. Принцип заключается в том, что связь программы с конкретными уст­ройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее использования. При работе про­граммы с новым устройством, перекомпиляция не требуется. Принцип реализуется в подавляющем большинстве ос.

Принцип совместимости.Этот принцип определяет возможность выполнения по, написанного для другой ос или для бо­лее ранних версий данной ос. Различают совместимость на уровне исполняемых файлов и на уровне исходных текстов про­грамм. В первом случае готовую программу можно запустить на другой ос. Для этого требуется совместимость на уровне команд микропроцессора, на уровне системных и библиотечных вызовов. Как правило, используются специально разрабо­танные эмуляторы, позволяющие декодировать машинный код и заменить его эквивалентной последовательностью команд в терминах другого процессора. Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора и также совместимости на уровне системных вызовов и библиотек.

Принцип открытости и наращиваемости.Открытость подразумевает возможность доступа для анализа как системным специалистам, так и пользователям. Наращиваемость подразумевает возможность введения в состав ос новых модулей и модификации существующих. Построение ос по принципу клиент-сервер с использованием микроядерной структуры обес­печивает широкие возможности по наращиваемости. В этом случае ос строится как совокупность привилегированной управ­ляющей программы и непривилегированных услуг-серверов. Основная часть остается неизменной, тогда как серверы могут быть легко заменены или добавлены.

Принцип мобильности (переносимости).Подразумевает возможность перенесения ос с аппаратной платформы одного типа на платформу другого типа. При разработке переносимой ос следуют следующим правилам: большая часть ос пишет­ся на языке, который имеет трансляторы на всех платформах, предназначенных для использования. Это язык высокого уров­ня, как правило, с. Программа на ассемблере в общем случае не является переносимой. Далее, минимизируют или исключа­ют те фрагменты кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными ресурсами. Аппаратно-зависимый кол изолируется в нескольких хорошо локализуемых модулях.

Принцип безопасности.Подразумевает защиту ресурсов одного пользователя от другого, а также предотвращения захвата всех системных ресурсов одним пользователем, включая и защиту от несанкционированного доступа. Согласно стандарту ncsc (national computer security center) 1985 года, т.н. Оранжевой книге, системы подразделяются на 7 категорий: d, с1, с2, в1, в2, вз, а1, где а является классом с максимальной защитой. Большинство современных ос отвечают требованиям уровня с2. Он обеспечивает:

- средства секретного входа, позволяющие идентифицировать пользователя путем ввода уникального имени и пароля при входе в систему;

- избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и его права;

- средства учета и наблюдения (аудита), обеспечивающие возможность обнаружения и фиксации событий, связан­ных с безопасностью системы и доступом к системным ресурсам;

- защита памяти, подразумевающая инициализацию перед повторным использованием.

На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но его действия легко отслеживаются по журналу. Системы уровня в распределяют пользователей по категориям, присваивая определенный рейтинг защиты, и предоставляя доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Уровень а требует выполнения формального, математически обоснованно­го доказательства соответствия системы определенным критериям безопасности. На уровне а управляющие безопасностью механизмы занимают до 90% процессорного времени. В ос реализуется несколько подходов для обеспечения защиты. Од­ним из них является двухконтекстность работы процессора, т.е. В каждый момент времени процессор может выполнить либо программу из состава ос, либо прикладную или служебную программу, не входящую в состав ос. Для того, чтобы гаранти­ровать невозможность непосредственного доступа к любому разделяемому ресурсу со стороны пользовательских и служеб­ных программ, в состав машинных команд вводятся специальные привилегированные команды, управляющие распределени­ем и использованием ресурсов. Эти команды разрешается выполнять только ос. Контроль за их выполнением производится аппаратно. При попытке выполнить такую команду возникает прерывание, и процессор переводится в привилегированный режим. Для реализации принципа защиты используется механизм защиты данных и текста программ, находящихся в озу. Самым распространенным подходом при этом является контекстная защита. Для программ и пользователей выделяется оп­ределенный участок памяти, и выход за его пределы приводит к прерыванию по защите. Механизм контроля реализуется аппаратным способом на основе ограниченных регистров или ключей памяти. Применяются различные способы защиты хранения данных в файлах. Самый простой способ защиты - парольный.

Первые программы разрабатывались непосредственно в машинных кодах. Для нот фсбовалось владеть в совершенстве архитектурой как самого микропроцессора, так и системы на ею основе. Очевидно, что переход к новой системе был связан с большими затратами на обучение. По мере развития вычислительной техники с юли выделять наиболее часто встречаю­щиеся операции и создавать для них программные модули, которые затем можно использовать в разрабатываемом по. Так, в 50-х п. При разработке первых систем программирования вначале создавали модули для операций ввода-вывода, после для вычисления математических операций и функций. Дальнейшее развитие привело к появлению трансляторов высокого уров­ня, которые могли подставлять вместо операторов необходимые вызовы библиотечных функций. Количество библиотек воз­растало. В итоге у разработчиков прикладного по отпала необходимость в подробном владении архитектурой системы. Они могли обращаться к программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сер­висы. Эта программная подсистема и является ос.

Основные составляющие современной ос - это ядро, подсистема ввода-вывода, командный процессор, файловая система. Ядро обеспечивает основной набор базовых функций по управлению задачами и ресурсами, их синхронизацией и взаимодей­ствием. Командный процессор обеспечивает прием и обработку команд, вызов соответствующих сервисов ос по запросу пользователя.

Подсистема ввода-вывода обеспечивает выполнение задач по вводу-выводу данных с внешними устройствами. Наличие этих библиотек в ос позволяет не встраивать их средствами систем программирования в каждую из разрабатываемых про­грамм. Системы программирования только генерируют обращения к системному коду ввода-вывода и выполняют подготовку данных. Подсистема вв является одной из самых сложных в силу большого числа различных устройств ввода-вывода. При этом недостаточно обеспечить эффективное управление, требуется еще и создать удобный и эффективный виртуальный ин­терфейс, позволяющий прикладным программистам абстрагироваться от специфики устройств. С другой стороны, требуется обеспечение доступа к устройствам вв множества параллельно выполняющихся задач. Некоторые из программ вв являются независимыми от устройств, и их можно применять ко многим устройствам вв, другое по, в т.ч. Драйверы устройств, пред­назначены для конкретных устройств вв.

Файл - набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Файловая система предостав­ляет пользователю возможность иметь дело с логическим уровнем структур данных и операций. Файловая система определя­ет способ организации данных на диске или ином носите информации. Все современные ос имеют соответствующие систе­мы управления файлами. Она является основной в большинстве современных ос. Благодаря суф все системные обрабаты­вающие программы связываются по данным. Суф решает проблему централизованного распределения дискового простран­ства и управления данными. Суф предоставляют пользователям широкие сервисные возможности по работе с файлами и каталогами, в тоже время скрывая от пользователя особенности дисков и других устройств вв. В unix важным является понятие монтирования дисков. Корневая файловая система и файловая система на диске существуют отдельно и никак не связаны между собой. При этом файлы гибкого диска нельзя использовать, поскольку для них неопределен путь. Unix не позволяет присоединять к пути название диска или его номер, поскольку это приводит к нежелательной для ос жесткой за­висимости от устройств. Системный вызов mount позволяет монтировать (присоединять) файловую систему гибкого диска к корневой файловой системе в указанное место. Еще одно понятие unix - специальные файлы. На самом деле это устройства ввода-вывода, которые выглядят как файлы.