Тема 1

Тема 1.

Операционная система (ОС) – программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя способом.

ОС состоит из:

техническое обеспечение (Hardware): память, процессор, монитор, диски, устройства, объединяющее магистральные соединения – шина. вычислительная система, состоящая из ПО, которое делится на прикладное и системное.

Любой из компонентов прикладного ПО обязательно работает под управлением ОС.

Слои ПО в компьютерной среде:

Под утилитами понимают специальные системные программы с помощью которых можно обслуживать ОС, выполнять обработку данных, выполнять оптимизацию данных на носителе и т. д.

К утилитам относятся программа разбиения магнитных дисков на носители, программа форматирования, программа переноса основных системных данных.  Утилиты могут работать только в соответствующей ОС.

ОС как интерфейс между пользователем и компьютером.

Расширенная (виртуальная) машина.

При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощения, и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов систем, игнорируя детали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компьютером.

Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных программ очень неудобна для использования прикладным программистом. Например, работа с диском предполагает знание внутреннего устройства его электронных компонента. Средний программист не в состоянии учитывать все особенности работы оборудования (разработка драйверов устройств), а должен иметь простое высокоуровневое абстрактное представление пространства диска, как набор файлов.

Файл можно открыть для чтения или записи и использовать для получения или сброса  информации, потом закрывать. Это проще чем задумываться о деталях перемещения головок диска или организации работа мотора. Аналогично, с помощью простых абстракций скрывается от программиста все подробности организации прерываний работы таймера, управление памятью и т. д.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

ОС как менеджер ресурсов.

ОС предназначена для управления всеми частями весьма сложной архитектуры компьютера. Например, когда несколько программ работающих на одном компьютере будут пытаться одновременно осуществить вывод на принтер без управления со стороны ОС, была бы мешанина строчек и страниц. ОС предотвращает такого рода хаос за счет буферизации (временного хранения) информации предназначенной для печати на диске и организации очереди на печать. Для многопользовательских компьютеров необходимость управления ресурсами и их защиты еще более очевидна. ОС как менеджер ресурсов осуществляет упорядочение и контролирование распределения процессора, памяти и других ресурсов между различными программами.

ОС как защитник пользователей и их программ.

При совместной работе нескольких пользователей на одной вычислительной системе возникает проблема организации их безопасной деятельности. Необходимо обеспечивать сохранение информации на диске, чтобы никто не мог удалить или повредить чужие файлы. Программы одних пользователей не должны производить вмешательства в программы других пользователей, а так же нужно пресекать попытки несанкционированного использования вычислительной системы. Эту деятельность осуществляет ОС как организатор безопасной работы пользователей и их программ.

ОС как постоянно функционирующее ядро.

ОС – это программа постоянно работающая на компьютере и взаимодействующая со всеми прикладными программами.

Однако, во многих современных ОС постоянно работает на компьютере лишь часть ОС которую принято называть ядром ОС.

Таким образом, существует много точек зрения на то что такое ОС. Невозможно дать ей адекватное строгое определение. Проще сказать не что есть ОС, а для чего она нужна и что она делает. Для выяснения этого вопроса полезно рассматривать историю развития вычислительных систем.

Краткая история эволюции вычислительных систем

(переписываем только основные даты и отличия)

Необходимо рассматривать историю развития вычислительных систем (ВС), а не ОС т. к. техническое обеспечение и программное обеспечение (ПО) эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга. Появление новых технических возможностей приводило к прорыву в области создания удобной, эффективной и безопасной программы, а свежие идеи программной области стимулировали поиски новых технических решений. Именно эти критерии: удобство, безопасность и эффективность играли роль факторов в эволюции ВС. 

I период 1954-55

Ламповые машины, ОС нет.

В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства и появился принцип программ, хранящихся в памяти (Джон Фон Неймон июнь 1945). В то время одна и та же группа людей участвовала в проектировании “эксплуатации и программировании ВС”. Программирование осуществлялось исключительно на машинном уровне, об ОС не было и речи. Все задачи по организации вычислительного процесса решались вручную, каждым программистом с пультом управления. Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панелей переключателей. Отладка программа велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машин. В конце этого периода появились первые системы ПО.

II период(55-нач. 60)

Компы на основе транзисторов. Пакетные ОС.

В середине 50-х начался новый период в развитие вычислительной техники, связанный  с появлением новой технологической базы-полупроводниковых элементов.

Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надёжности компьютеров. Размеры компьютеров уменьшились, снизилась стоимость эксплуатации и обслуживания вычислительной техники. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами. Наблюдается бурное развитие алгоритмических языков, таких как: LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1. Появились первые настоящие компиляторы, редакторы связи и математические библиотеки. В этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков ВМ. Изменился сам процесс прогона (тестирования, работы) программ. Пользователь приносит программу с входными данными в виде колонны перфокарт, запрашивает необходимые ресурсы, такая колода получила название задание. Оператор загружает задание в память машины и запускает его на выполнение. Выходные данные печатаются на принтере. Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ, и процессы часто простаивают. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими ресурсами собирают вместе, создавая пакет заданий.

Появляются первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой, тем самым увеличивает коэффициент загрузки ЦП. Для реализации таких пакетных систем был разработан формализованный язык управления заданиями. Системы пакетной обработки стали прообразом современных ОС, они были первыми системными программами, предназначенные для управления вычислительными процессами. 

III начало 60-ых -1980г.

Компьютеры на основе интегральных микросхем.

Первая многозадачная ОС.

Этот период характеризуется использованием интегральных микросхем, вместо отдельных полупроводниковых приборов, что повысило производительность процессов.

       Из-за низкой скорости устройств ввода-вывода, начинают использовать предварительную запись пакета заданий на магнитный диск.

Выходная информация сначала выводится на диск и печатается с него. Вначале эти операции осуществляются в режиме offline, т. е. с помощью других компонентов. Затем в режиме online, т. е. на компьютере, где выполнились вычисления. Этот прием получил название simultaneous peripheral operation on line (spooling). Этот прием позволили совместить операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, что потребовало разработки аппарата прерываний для извещения процессора об окончании этих операций. Появления магнитного диска, для которого не важен порядок чтения информации, привело к возможности выбора очередного задания – пакетные системы стали заниматься планированием задания в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности и т. д.

       Появление мультипрограммирования привело к дальнейшему росту эффективности работы процессора. Суть его в том, что пока одна программа выполняет ввод-вывод, ЦП не простаивает, а выполняет другую программу. Когда ввод вывод заканчивается ЦП снова выполняет 1-ую программу. При этом каждая программа загружается в свой участок памяти, называемой разделом и не должна влиять на выполнение других программ. Важную роль здесь играет аппаратная поддержка. Её основные черты следующие:

Реализация защиты

Программы не должны сами распределять ресурсы, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных задач. Первый, направленный компонент ввода-вывода может работать в привилегированном или защитном режиме. Кроме того необходима защита памяти для изоляции пользовательских программ друг от друга и ОС от них.

Наличие прерываний

Внешние прерывания извещают ОС об асинхронных событиях (например: операции ввода-вывода). Внутренние прерывания (исключительные ситуации) возникают, когда при выполнении программы необходимо вмешательство ОС, направленной при попытке деления на нуль или при попытке наружной защиты.

Параллелизм в архитектуре

Прямой доступ к памяти и организация каналов вводы вывода освободили ЦП от рутинных операций.

IV период. 1980-настоящее время

Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы.

Этот период связан с появлением больших интегральных схем и персонального компьютера (ПК).

С середины 80-х гг. стали развиваться сети компьютеров, работающих под управлением сетевых или распределенных систем.

В сетевых ОС каждая машина работает под управлением своей локальной ОС, отличающихся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств (программная поддержка сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам),  но эти дополнения не меняют структуру ОС. Распределенная система внешне выглядит как автономная ОС. Пользователь не знает, где хранятся его файлы и где его программа выполняется. Внутреннее строение распределенной ОС имеет существенное отличие от автономных систем.

Из рассматриваемых этапов развития ВС можно выделить 6 основных функций, которые выполнили классические ОС:

1)Планирование заданий и использование процессора

2)Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации

3)Управление памятью

4)Управление файловой системой

5)Управление вводом выводом

6)Обеспечение безопасности

Каждая из этих функций реализована в виде подсистемы, является структурным компонентом ОС. Они не были изначально придуманы как составные части ОС, а появились в процессе развития. ОС существуют потому, что на данный момент это разумный способ использования вычислительных систем.