Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров ( Особенности UNIX систем.).pdf

Раздел 1. Краткая история возникновения операционных систем.

Наиболее популярными операционными системами для компьютеров являются семейства операционных систем Microsoft Windows и UNIX.

Windows берет начало от операционной системы MS-DOS, которой оснащались первые персональные компьютеры фирмы IBM. На данный момент общего между DOS и Windows практически нет.

Windows больше ориентирован на графический интерфейс при управлении, а классические UNIX системы на командную строку.

Из материалов Википедии:

По состоянию на август 2014 года под управлением операционных систем семейства Windows по данным ресурса NetMarketShare работает более 91% персональных компьютеров.

Огромную роль в разработках в области операционных систем, сыграла компания Bell Labs.

Компания Bell Labs получила 7 Нобелевских премий с 1937 по 2009 г. Почти все они связаны с технологиями применяемыми при изготовлении компьютеров. Напомним что в 1956 году Джон Бардин, Уильям Брэдфорд Шокли и Уолтер Хаузер Браттейн были удостоены Нобелевской премии за изобретение транзистора в 1947 году. За все время существования Bell Labs было получено более 27 тыс. патентов.

В 1955 году компания Bell Labs анонсировала первый транзисторный компьютер TRADIC.

Соответственно было выпущено компьютерное оборудование и надо было на нем работать.

Логика человека и компьютера разные по природе. Потребовалось упростить взаимодействие человека с машиной. Так появилась Операционная Система (ОС)

В 1957 году компанией Bell Labs была начата работа по созданию операционной системы для внутренних нужд.

Тогда были созданы система BESYS и проект Multics. В 1964 году появились компьютеры третьего поколения, для которых возможности BESYS уже не подходили. Разработчики приняли решение создать совместный проект с General Electric и MIT — Multics. Телекоммуникационный гигант AT&T, в состав которого входила Bell Labs, оказал проекту существенную поддержку.

В 1970-х группой сотрудников Bell Labs под руководством Денниса Ричи, Кена Томпсона и Брайана Кернигана (Dennis Ritchie, Ken Thompson, Brian Kernighan) в 1969 году были разработаны первые версии операционной системы UNIX и языка Си.

На основе этой системы на данный момент создано множество «UNIX-подобных» (англ. UNIX-like) операционных систем. Все они используют похожую архитектуру и технологии, и зачастую используют одинаковые инструменты.

И когда говорят об операционной системе UNIX, чаще всего имеют в виду не конкретную ОС, а скорее целое семейство UNIX-подобных операционных систем. Само же слово UNIX (заглавными буквами) стало зарегистрированной торговой маркой корпорации AT&T.

Из уважения к исторической значимости UNIX как системы оказавшей влияние на развитие всех операционных систем, в самом начале данного повествования хочется отметить особенности этой операционной системы.

1.1.Особенности UNIX систем.

Основное отличие UNIX-подобных систем от других операционных систем заключается в том, что они изначально создавались для обслуживания некоторого множества пользователей выполняющих одновременно различные вычислительные задачи.

Таким образом они многопользовательские многозадачные.

Например, популярные ОС семейства Microsoft Windows не все являются многопользовательскими системами, а только специализированная линейка Server.

В обычных Windows в один момент времени за одним компьютером может работать только один человек. Существующие неофициальные способы снять это ограничение только подтверждают тот факт что ядро ОС просто не спроектировано для многопользовательских задач. Признак этого - резкое падение производительности и увеличение времени отклика ОС на возникающие события. Игнорируя это получаем результат - отказ в обслуживании (зависание) где снять задачу будет невозможно.

В UNIX же может работать сразу множество пользователей, при этом каждый из них может выполнять такое количество различных вычислительных процессов, использующих ресурсы компьютера, выполнение которых будет приемлемым с точки зрения времени (на выполнение тратятся такты процессорного времени) и на какое хватит объема оперативной памяти, свободных портов ввода-вывода и др. ресурсов.

Другая особенность Unix в её мультиплатформенности.

Ядро системы написано таким образом, что его легко можно портировать практически под любой микропроцессор.

Оно и разработано на портируемом языке Си. Это делает свободным выбор разработчиков программ конкретной аппаратной платформы.

Свободным от аппаратуры и производителя оказался и программист. Если ранее он работал с UNIX на VAX (VAX — 32-битная компьютерная архитектура, была разработана в середине 1970-x годов Digital Equipment Corporation как развитие линии PDP-11 в рамках проекта Star.), то теперь легко работал с ней же и на процессорах новой архитектуры.

Резюмируя все это.

UNIX — семейство переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

Идеи, заложенные в основу UNIX, оказали огромное влияние на развитие компьютерных операционных систем. В настоящее время UNIX-системы признаны одними из самых исторически важных ОС.

UNIX имеет общие отличительные особенности:

- настройка, конфигурирование и управление посредством редактирования текстовых файлов;

- широкий функционал применения утилит, запускаемых из командной строки;

- интерфейс взаимодействия с пользователем посредством текстовой консоли;

- устройства физические и виртуальные представлены в виде файлов;

Раздел 2 Функции операционных систем.

Основные функции операционных систем - это управление ресурсами компьютера:

1. В первую очередь оперативной памятью, энергонезависимой памятью и временем центрального процессора.
2. Во вторую очередь периферийными устройствами.

Некоторые ОС занимаются только распределением ресурсов. Контролируют свободен ресурс или занят. И по заявкам от программы выделяют или освобождают аппаратный ресурс. Такое реализуется только в однопользовательских системах, например, в DOS.

Такие системы простые и не требовательны к ресурсам (процессорное время и оперативная память).

Принцип такой, программа запущенная под ОС запрашивает у ОС ресурсы, система оценивает их по определенным критериям (достаточно памяти, готово оборудование и т.д.) и предоставляет или не предоставляет (соответственно возвращает программе ошибку).

Другие ОС более сложные, уже могут гарантировать программе что она обращается только к выделенным ей ресурсам а не соседней программы.

Обеспечение гарантий нужно для изоляции программ друг от друга. Могут быть ошибки как в самих программах, так и ошибочные и злонамеренные действия пользователя.

Эта функция используется в многопользовательских и многозадачных системах.

Многопользовательским системам особенно важно иметь гарантии всегда получать необходимое количество ресурсов.

Это достигается не только программными средствами, но также требует и поддержки со стороны аппаратных средств центрального процессора.

Один из важнейших типов гарантий - режим реального времени, при котором пользовательская программа получает в пользование процессорное время в течение всего необходимого времени для обработки события.

Применяется для управления технологическим оборудованием, станками с ЧПУ, контроля процессов окружающей среды, исследовательских системах.

Современные представления о том, что должна уметь делать ОС:

- загрузка пользовательских программ в оперативную память и выполнение (исключение составляют встраиваемые ОС прошитые в постоянной памяти ПЗУ);

- управление памятью;

- обеспечение работы с устройствами долговременной памяти (накопители на жестких магнитных дисках, накопители на магнитной ленте, магнитооптические диски, оптические диски, накопители на основе флеш-памяти). Структурирует размещение данных посредством создания файловых систем;

- стандартизированный доступ к периферийным устройствам;

- предоставление пользовательского интерфейса (текстовая строка или графический пользовательский интерфейс). Встраиваемые системы могут не иметь пользовательского интерфейса.

Например, функции MS-DOS на этом заканчиваются.

Далее, возможности, представляемые более развитыми операционными системами:

- параллельное выполнение нескольких задач;

- организация взаимодействия задач друг с другом;

- организация взаимодействия компьютеров друг с другом и разделения ресурсов;

- защита системных ресурсов, программ и данных пользователя от ошибочных или злонамеренных действий пользователей и программ;

- аутентификация пользователя за компьютером, авторизация для получения права выполнять операции, и др. средства относящиеся к безопасности ОС.

Резюмируя все перечисленное, можно сказать что стандартно функции операционных систем делятся на: основные и дополнительные.

Основные функции:

- загрузка программ и исполнение в оперативной памяти,

- управление оперативной памятью,

- управление периферийными устройствами

- обеспечение интерфейса пользователя,

- организация и обслуживание файловой системы,

- ведение протокола работы системы, журналирование системных событий,

- выполнение запросов программ (запуск и остановка программ, ввод и вывод данных)

Дополнительные функции:

- многозадачность,

- защита области вычисления процессов одного от другого,

- защита системы и пользовательских данных от злонамеренных действий самих пользователей и программ,

2.1 Виды операционных систем.

В зависимости от стратегий управления ресурсами, можно выделить несколько классов операционных систем.

2.1.1 С загрузчиком и без.

Большинство систем имеют энергозависимую память и ОС размещается на внешнем носителе. Поэтому им необходим загрузчик программ. Такая ОС называется система общего назначения.

Системы с энергонезависимой памятью оснащаются ПЗУ или флеш-памятью. ОС там уже готова к исполнению.

И называются встраиваемые системы (Embedded system). Применяются в бытовой технике, технологическом оборудовании, автомобилях.

В последнее время появились модульные системы. Они могут работать как обычные ОС, так и прошиваться в ПЗУ. Разумеется, состав и конфигурация ядра в этих случаях разные.

Но программные интерфейсы остаются совместимыми.

2.1.2.По способу управления оперативной памятью.

Управление оперативной памятью и энергонезависимой памятью.

В оперативной памяти хранятся программы и данные. Неограниченный доступ к памяти может привести к повреждению программ и данных, произвольному изменению поведения программ.

Например, непреднамеренная модификация данных вызванная ошибками программирования.

Или злонамеренный пользователь может целенаправленно прочитать любые данные в оперативной памяти и внешних устройствах.

2.1.3 Дисковые операционные системы.

Работают с открытой памятью и не защищают код и данные загруженных задач друг от друга.

ДОС загружает программу в память и передает ей управление. Выполнение программы в системе ничем не ограничивается. Например, ДОС не запрещает прямой доступ к контроллерам дисковых устройств в обход своих процедур.

Доступ к периферийным устройствам не контролируется.

Простейшие ДОС являются однозадачными операционными системами.

Например: загрузочный монитор ZX-Spectrum совместимого компьютера, некоторые игровые приставки.

Более сложные ДОС представляют собой многозадачные системы.

Например: DR-DOS, Windows 95/98/ME, MacOS до 9 версии, PalmOS, серверная ОС Novell NetWare.

Главное достоинство – низкие требования к вычислительным ресурсам.

• • 1. Операционные системы ОС.

Такие системы используют специальные аппаратные устройства, управляющие доступом к памяти, так называемые диспетчеры памяти.

Диспетчер памяти обеспечивает адресацию памяти, зависимую от контекста, так что разные задачи видят различные адресные пространства и логически

не могут обращаться к памяти, которую им не выделяли. Поскольку адресное пространство задачи отображается на реальную память непрямым образом,