ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.06.2021
Просмотров: 219
Скачиваний: 4
Лекция 1. Введение в операционные системы
План лекции:
-
Определение операционной системы.
-
Краткая история эволюции вычислительных систем.
-
Эволюция развития операционных систем.
-
Поколения операционных систем.
-
Назначение, состав и функции операционных систем.
-
Операционная среда и операционная оболочка.
Определение операционной системы.
Операционная система (ОС) в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.
ОС как виртуальная (расширенная) машина. Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. (Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать.) При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы подобные тому, в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения головок, не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи – это операционная система. Операционная система также берет на себя такие функции как обработка прерываний, управление таймерами и оперативной памятью и т.д.
С точки зрения пользователя 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, тем самым скрывая от пользователя детали управления оборудованием (hardware)
Этот принцип иллюстрируется рис.1.
Рис. 1. Операционная система, процессы, оборудование
Как видно из рисунка, ОС играет роль "прослойки" между процессами пользователей и оборудованием системы. (Под оборудованием понимаются, как правило, внешние устройства, но можно трактовать этот термин и шире - включая в него все первичные ресурсы). Процессы пользователей не имеют непосредственного доступа к оборудованию и, говоря шире, к системным ресурсам. Если процессу необходимо выполнить операцию с системным ресурсом, в том числе, и с оборудованием, процесс выдает системный вызов. ОС интерпретирует системный вызов, проверяет его корректность, возможно, помещает в очередь запросов и выполняет его. Если выполнение вызова связано с операциями на оборудовании, ОС формирует и выдает на оборудование требуемые управляющие воздействия. Оборудование, выполнив операцию, заданную управляющими воздействиями, сигнализирует об этом прерыванием. Прерывание поступает в ядро ОС, которое анализирует его и формирует отклик для процесса, выдавшего системный вызов. Если выполнение системного вызова не требует операций на оборудовании, отклик может быть сформирован немедленно.
Управляющие воздействия и прерывания составляют интерфейс оборудования, системные вызовы и отклики на них - интерфейс процессов. В качестве синонима интерфейса процессов мы в соответствии со сложившейся в последнее время традицией часто будем употреблять аббревиатуру API (Application Programm Interface - интерфейс прикладной программы).
Отделение процессов пользователя от оборудования преследует две цели.
Во-первых, - безопасность. Если пользователь не имеет прямого доступа к оборудованию и вообще к системным ресурсам, то он не может вывести их из строя или монопольно использовать в ущерб другим пользователям. Обеспечение этой цели нуждается в аппаратной поддержке, рассматриваемой в следующем разделе.
Во-вторых, - обеспечение абстрагирования пользователя от деталей управления оборудованием. Вывод на диск, например, требует сложного программирования контролера дискового устройства, однако, все пользователи используют для этих целей простое обращение к драйверу устройства. Более того, в большинстве систем имеются библиотеки системных вызовов, обеспечивающие API для языков высокого уровня (прежде всего - для языка C). Можно также говорить о том, что ОС интегрирует ресурсы: из ресурсов низкого (физического) уровня она конструирует более сложные ресурсы, которые с одной стороны сложнее (по функциональным возможностям), а с другой стороны - проще (по управлению) низкоуровневых.
ОС как система управления ресурсами – менеджер ресурсов. С другой стороны, с точки зрения системного программиста, ОС представляет собой набор программ, управляющий всеми частями сложной вычислительной системы (ВС) - ресурсами. Ресурс - "средство системы обработки данных, которое может быть выделено процессу обработки данных на определенный интервал времени". Простыми словами: ресурс - это все те аппаратные и программные средства и данные, которые необходимы для выполнения программы. Ресурсы можно подразделить на первичные и вторичные. К первой группе относятся те ресурсы, которые обеспечиваются аппаратными средствами, например: процессор, память - оперативная и внешняя, устройства и каналы ввода-вывода и т.п. Ко второй группе - ресурсы, порождаемые ОС, например, системные коды и структуры данных, файлы, семафоры, очереди и т.п. В последнее время в связи с развитием распределенных вычислений и распределенного хранения данных все большее значение приобретают такие ресурсы как данные и сообщения.
В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:
-
планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;
-
отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.
Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.
Краткая история эволюции вычислительных систем.
Мы будем рассматривать историю развития именно вычислительных, а не операционных систем, потому что hardware и программное обеспечение эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга. Появление новых технических возможностей приводило к прорыву в области создания удобных, эффективных и безопасных программ, а новые идеи в программной области стимулировали поиски новых технических решений. Именно эти критерии удобство, эффективность и безопасность играли роль факторов естественного отбора при эволюции вычислительных систем.
Первый период (1945-1955). Ламповые машины. Операционные систем отсутствовали.
Мы начнем исследование развития компьютерных комплексов с появления электронных вычислительных систем (опуская историю механических и электромеханических устройств).
Первые шаги по созданию электронных вычислительных машин были предприняты в конце второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства, и появился принцип программы, хранимой в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945г). В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. За пультом мог находиться только один пользователь. Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панели переключателей. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод, собственно вычисления, размышления программиста). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины. В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951-52 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает ассемблер для IBM-701. В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.
Второй период (1955-Начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы
С середины 50-х годов начался новый период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Снизилось потребление вычислительными машинами электроэнергии. Проще стали системы охлаждения. Размеры компьютеров уменьшились. Эксплуатация и обслуживание вычислительной техники подешевели. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами. Одновременно наблюдается бурное развитие алгоритмических языков (ALGOL-58, LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). Появляются первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм. Упрощается процесс программирования. Пропадает необходимости взваливать на одних и тех же людей весь процесс разработки и использования компьютеров. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.
Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и указывает требуемые для нее ресурсы. Такая колода получает название задания. Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение. Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно через некоторое (довольно большое) время.
Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ. В результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими требуемыми ресурсами начинают собирать вместе, создавая пакет заданий.
Появляются первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и, тем самым, увеличивают коэффициент загрузки процессора. При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.
Третий период (Начало 60-х - 1980). Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС.
Следующий важный период развития вычислительных машин относится к началу 60-х - 1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам. Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами. Повышается производительность процессоров.
Повышению эффективности использования процессорного времени мешает низкая скорость механических устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 600 строк в минуту). Вместо непосредственного чтения пакета заданий с перфокарт в память начинают использовать его предварительную запись сначала на магнитную ленту, а затем и на диск. Когда в процессе выполнения заданию требуется ввод данных, они читаются с диска. Точно так же выходная информация сначала копируется в системный буфер и записывается на ленту или диск, а реально печатается только после завершения задания. Вначале действительные операции ввода-вывода осуществлялись в режиме off-line, то есть с использованием других, более простых, отдельно стоящих компьютеров. В дальнейшем они начинают выполняться на том же компьютере, который производит вычисления, то есть в режиме on-line. Такой прием получает название spooling (сокращение от Simultaneous Peripheral Operation On Line) или подкачки-откачки данных. Введение техники подкачки-откачки в пакетные системы позволило совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, но потребовало появления аппарата прерываний для извещения процессора об окончании этих операций.
Магнитные ленты были устройствами последовательного доступа, то есть информация считывалась с них в том порядке, в каком была записана. Появление магнитного диска, для которого не важен порядок чтения информации, то есть устройства прямого доступа, привело к дальнейшему развитию вычислительных систем. При обработке пакета заданий на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась порядком их ввода. При обработке пакета заданий на магнитном диске появляется возможность выбора очередного выполняемого задания. Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий: в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д. на счет выбирается то или иное задание.
Дальнейшее повышение эффективности использования процессора было достигнуто с помощью мультипрограммирования. Идея мультипрограммирования заключается в следующем: пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при однопрограммном режиме, а выполняет другую программу. Когда операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы. Эта идея напоминает поведение преподавателя и студентов на экзамене. Пока один студент (программа) обдумывает ответ на поставленный вопрос (операция ввода-вывода), преподаватель (процессор) выслушивает ответ другого студента (вычисления). Естественно, что такая ситуация требует наличия в комнате нескольких студентов. Точно также мультипрограммирование требует наличия в памяти нескольких программ одновременно. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом, и не должна влиять на выполнение другой программы. (Студенты сидят за отдельными столами и не подсказывают друг другу.)