Наличие поддержки со стороны ОС сильно облегчает задачу. Программа пользователя может просто инициализировать стандартную программу, задав устройство, которое должно быть использовано. За всеми нюансами, такими как опрос состояния и подсчет переданных байтов, проследит ОС. Она же примет необходимые меры по исправлению ошибок.

Операционное окружение мультипрограммных ОС содержит также программы, которые управляют ресурсами ЭВМ, выделяя их по необходимости. Например, оперативная память распределяется между заданиями, одновременно находящимися в решении, центральный процессор представляется заданиям согласно заранее выбранной стратегии. За исключением конкретных запросов ОС заданиям пользователей нет необходимости иметь дело с управлением ресурсами. Благодаря операционному окружению каждое задание выполняется как бы на отдельной расширенной машине, хотя в действительности базовая машина может быть распределена между несколькими пользователями.

В некоторых системах программа пользователей может вызывать функции ОС, обращаясь непосредственно к фиксированным областям памяти. В документации таким ОС для пользователя дается описание областей, назначенные для данных, и входных точек вместе с их реальными адресами.

Способ запроса связи с ОС при помощи обращения к фиксированной области памяти используется в некоторых ПЭВМ. Однако этот метод часто неудобен и является источником ошибок, но, с другой стороны, он может предоставить пользователю возможность обойти средства защиты, встроенные в ОС.

В развитых, современных системах пользователи запрашивают функции ОС в основном при помощи специальных машинных команд, таких как вызов супервизора. Выполнение команд супервизора вызывает прерывание, в результате которого управление передается сервисной стандартной программе ОС.

3. Обзор современных ОС и операционных оболочек

MVS, OS/390, z/OS

Первые две ОС этого семейства вышли в 1966 г., вскоре после анонса аппаратной архитектуры System/360. Это были РСР (Primary Control program -первичная управляющая программа) и DOS/360 (Disk Operating System). Архитектура обеих систем была типична для вычислительных систем второго поколения — это были пакетные мониторы, рассчитанные на работу одной прикладной программы без защиты памяти (первые компьютеры серии System/360 не имели диспетчеров памяти). В 1967 г. были выпущены версии РСР: MVT (Multiprogramming with a Variable number of Tasks — многопрограммная [система] с переменным числом задач) и MFT (Multiprogramming with a Fixed number of Tasks — то же, но с фиксированным числом задач). Обе системы реализовывали вытесняющую многозадачность в едином адресном пространстве — MFT использовала разделы памяти, a MVT — относительную загрузку с базовым регистром. Позднее, к MVT была добавлена подсистема работы с несколькими терминалами в режиме разделения времени TSO (Timesharing Option — возможность разделения времени), ASP (Asymmetric Multiprocessing System — асимметричная многопроцессорность) и ряд других прикладных подсистем. В 1972 г., после появления машин System/370 с диспетчером памяти, была выпушена переходная система OS/SVS (Single Virtual Storage — единая виртуальная память), которая позволяла использовать страничную подкачку, но не защиту заданий друг от друга. Наконец, в 1974 г. была выпушена MVS (Multiple Virtual Storage — множественная виртуальная память), которая предоставляла каждой задаче собственное виртуальное адресное пространство объемом до 2 Гбайт (в System/360 и первых моделях System/370 адрес был 24-разрядным). Большая часть дополнительных подсистем MVT была включена в стандартную поставку MVS. MVS предоставляла:

---

• раздельные адресные пространства;

• пакетный и интерактивный (разделение времени) запуск задач;

• вытесняющую многозадачность;

• выполнение нитей в общем адресном пространстве (нити в этой системе называются единицей обслуживания (service unit));

• многопоточное ядро;

• примитивы взаимоисключения — замки (lock);

• симметричную многопроцессорность;

• динамическое подключение и отключение процессоров (как центральных, так и канальных) и их горячую замену;

• библиотеки — аналог вложенных каталогов;

• последовательные, блочные и индексно-последовательные файлы;

• отображение файлов, в том числе и индексно-последовательных, в адресное пространство (VSAM);

• систему безопасности на основе ACL;

• развитые средства системного мониторинга;

• сетевые средства — поддержку стека протоколов SNA (Standard Network Architecture).

MVS воплотила все наиболее прогрессивные функции и архитектурные концепции своего времени. MVS была основным продуктом IBM вплоть до середины 90-х, когда вышла новая версия системы — OS/390. В OS/390 основные архитектурные принципы MVS не подверглись пересмотру [redbooks.ibm.com sg245597]. Новшества заключались в добавлении следующих возможностей:

• поддержка многомашинных кластеров (Parallel Sysplex);

• развитие сетевых средств равноправного (peer-to-peer) взаимодействия;

• поддержка сетевых протоколов семейства TCP/IP (ранее взаимодействие с сетями TCP/IP и NETBIOS осуществлялось посредством включения в состав вычислительного комплекса модуля с процессором х86 под управлением OS/2);

• совместимость с системами семейства Unix [redbooks.ibm.com sg245992| (в 1998 г.OS/390 прошла набор тестов Unix 95 консорциума Х/Open и получила право называться UNIX [www.opengroup.org xu007|).

В 1999 г., в связи с началом выпуска 64-разрядного семейства компьютеров z900, вышла 64-разрядная версия системы z/OS [www.ibm.com zOS]. Системы под управлением OS/390 и z/OS применяются главным образом в качестве серверов транзакций и СУБД масштаба предприятия и составляют становой хребет вычислительных систем большинства крупных компаний.

Семейство Unix

Обширное и бурно развивающееся семейство Unix оказало огромное идейное влияние на развитие операционных систем в 80-е и 90-е годы XX столетия. Генеалогия систем семейства опубликована на сайте [perso.wanadoo.fr] и слишком обширна для того, чтобы ее можно было полностью привести в книге. Применения систем семейства крайне разнообразны, начиная от встраиваемых приложений реального времени, включая графические рабочие станции для САПР и геоинформационных систем, и заканчивая серверами класса предприятия и массивно параллельными суперкомпьютерами. Некоторые важные рыночные ниши, например передачу почты и другие структурные сервисы Internet, системы семейства занимают практически монопольно. Родоначальником семейства следует, по-видимому, считать не первую версию Unix, a Multics, совместно разрабатывавшуюся в 1965—1969 гг. General Electric и Bell Laboratories. За это время General Electric выделило подразделение, занимавшееся работами над Multics и аппаратной платформой для нее (GE-645), в отдельную компанию Honeywell. Multics была первой из промышленных систем, предоставлявших:

---

• создание процессов системным вызовом fork;

• страничную виртуальную память;

• отображение файлов в адресное пространство ОЗУ;

• вложенные каталоги;

• неструктурированные последовательные файлы;

• многопользовательский доступ в режиме разделения времени;

• управление доступом на основе ограниченных ACL (колец доступа).

Multics оказала огромное влияние не только на разработчиков Unix — значительные следы идейного влияния этой системы прослеживаются так же в RSX-11 и VAX/VMS фирмы DEC. Последние Multics-системы были доступны в Internet в 1997 г. В 1969 г. Bell Laboratories отказалась от работ над Multics и начала разработку собственной ОС для внутренних нужд. По-видимому, основной причиной этого шага было осознание несоответствия между амбициозными целями проекта Multics (ОС была весьма требовательна к ресурсам и могла работать только на больших компьютерах Honeywell), в то время как материнской компании Bell Labs — American Telephone & Telegraph — требовалась единая операционная среда, способная работать на различных миникомпыотерах, используемых в подразделениях телефонной сети США.
В Bell Laboratories был объявлен внутренний конкурс на разработку переносимой ОС, способной работать на миникомпыотерах различных поставщиков. К проекту были предъявлены следующие основные требования:

• многоплатформенность;

• вытесняющая многозадачность;

• многопользовательский доступ в режиме разделения времени;

• развитые телекоммуникационные средства.

Один из участников работ над Multics, К. Томпсон, разработал крайне упрощенное ядро ОС, названное UNIX, для миникомпьютера PDP-7. К 1972 г. К. Томпсон и Д. Ритчи переписали ядро системы в основном на языке С и продемонстрировали возможность переноса ОС на миникомпьютеры PDP-11. Это обеспечило выполнение всех требований конкурса, и UNIX была признана основной платформой для вычислительных систем, эксплуатируемых в AT&T.
Легенды доносят до нас более колоритные детали ранних этапов истории новой системы. Так, одна из очень популярных легенд, излагаемая в той или иной форме несколькими источниками, утверждает, что история UNIX началась с разработанной для Multics игровой программы под названием Star Wars (звездные войны — сама эта программа и даже правила игры до нас не дошли). Уволенный из группы разработчиков Multics за разгильдяйство (мы приводим здесь наиболее радикальный вариант легенды, не заботясь о его согласовании с историческими фактами), Томпсон занялся "оживлением" неиспользуемой PDP-7, стоявшей в углу машинного зала. Оживление заключалось в написании ядра ОС, реализующего подмножество функциональности Multics, достаточное, для того чтобы перенести и запустить его любимые Star Wars [Бах 1986]. Первые версии UNIX были рассчитаны на машины без диспетчера памяти. Процессы загружались в единое адресное пространство. Ядро системы размещалось в нижних адресах ОЗУ, начиная с адреса 0, и называлось сегментом реентерабельных процедур. Реентерабельность обеспечивалась переустановкой стека в момент системного вызова и запретом переключения задач на все время исполнения модулей ядра. На машинах с базовой адресацией выполнялось перемещение образов процессов по памяти и сброс образа процесса на диск (задачный своппинг). В Multics и современных системах Unix fork реализуется посредством копирования страниц при модификации. Ранние версии UNIX физически копировали образ процесса. Большая часть (по некоторым оценкам, до 90%) fork немедленно продолжается исполнением системного вызова exec, поэтому одной из первых оптимизаций, придуманных в университетских версиях системы, было введение системного вызова vfork. Порожденный этим вызовом процесс исполнялся на самом образе родителя, а не на его копии. Создание нового образа процесса происходило только при исполнении exec. Для того чтобы избежать возможных проблем взаимоисключения (например, при вызове нереентерабельных функций стандартной библиотеки), исполнение родителя приостанавливалось до тех пор, пока потомок не выполнит exec или не завершится. Выделяют [Баурн 1986] следующие отличительные особенности системы.

---

• Порождение процессов системным вызовом fork, который создает копию адресного пространства в пользовательской области процесса.

• Результат завершения процесса хранится в его дескрипторе и может быть считан только родителем. В списке процессов такой дескриптор выглядит как процесс в специальном состоянии, называемом зомби (zombie).

• Процессы-сироты (продолжающие исполнение после завершения родителя) усыновляются процессом с идентификатором, равным 1.

• Процесс с идентификатором 1 запускается при загрузке системы (по умолчанию это /bin/ink) и запускает все остальные обязательные задачи в системе. Наличие такого процесса иногда объявляют необходимым и достаточным критерием для причисления той или иной системы к семейству Unix.

• Древовидная структура пространства имен файловой системы: дополнительные ФС монтируются в те или иные точки корневой ФС и идентифицируются затем точкой монтирования, а не именем устройства, на котором расположены.

• Файлы рассматриваются ОС как неструктурированные потоки байтов и не типизованы на уровне ОС (в частности, на уровне ОС нет деления файлов на записи).

• Файловая система поддерживает множественные имена файлов в виде жестких и, у более поздних версий, символических связей.

• Отложенное удаление файлов: если процесс открыл файл, а другой процесс его удалил, то первый процесс может продолжать работу с файлом, и физическое удаление происходит только после того, как первый процесс его закроет.

• Лозунг "все — файл", который, впрочем, последовательно реализован только в экспериментальной системе Plan 9 — в реальных Unix системах практически всегда присутствуют объекты, к которым не применимы файловые операции: переменные среды, структуры данных ядра в ранних версиях (позднее они были оформлены в виде псевдофайловой системы /ргос), объекты SysV IPC и примитивы взаимоисключения POSIX Thread Library в современных системах.

• Своеобразный командный язык, основанный на широком применении переназначения ввода-вывода и конвейеров (последовательностей задач, соединенных трубами).

Некоторые из перечисленных особенностей были позаимствованы другими ОС. Так, переназначение ввода-вывода и конвейеры реализуются командными процессорами ОС семейства СР/М, начиная с MS DOS 3.30. cmd.exe — командный процессор OS/2 и Windows NT/2000/XP — даже правильно понимает конструкцию cmdiine | more 2>&1. Стандартные командные процессоры UNIX портированы практически на все современные ОС. Функциональный аналог Korn Shell включен в стандартную поставку Windows 2000. Жесткие связи файлов (однако, без отложенного удаления) поддерживаются FCS2 (файловой системой VAX/VMS), NTFS и jfs при использовании под OS/2. Точки монтирования (подключение дополнительных ФС в дерево каталогов существующей ФС) реализованы в Windows 2000 и Toronto Virtual File System для OS/2. Системный вызов CreateProcess Windows NT/2000/XP может имитировать семантику fork: для этого достаточно передать в качестве имени программы для нового процесса пустой указатель. Библиотека ЕМХ для OS/2 реализует fork при помощи собственного обработчика страничного отказа.

---

Распространение UNIX

AT&T в 70-е годы была "естественной" монополией в области телекоммуникаций. Этот статус гарантировался законодательным запретом деятельности других телекоммуникационных компаний на территории США. В обмен на этот статус AT&T вынуждена была подчиняться ряду регуляторных мер, в частности — ей было запрещено выходить на другие, кроме телекоммуникационного, рынки, в том числе на рынок программного обеспечения. Однако разработчики UNIX чувствовали, что их системе суждено гораздо более привлекательное будущее, чем внутренний стандарт крупной компании. В 1973 г. одна из дочерних компаний AT&T, Western Electric, дала разрешение на использование UNIX в некоммерческих целях. Началось распространение системы в университетах США. Наибольший вклад в распространение и развитие университетской версии системы внес университет Беркли, в котором было создано специальное подразделение — BSD (Berkeley Software Distribution}. В BSD UNIX было включено множество ценных нововведений, таких, как:

• сегментная (на старших моделях PDP-11) и страничная (на VAX-11/780) виртуальная память

• раздельные адресные пространства процессов и выделенное адресное пространство ядра

• абсолютные загрузочные модули формата a.out

• примитивная форма разделяемых библиотек

• усовершенствования механизма обработки сигналов

• управление сессиями и заданиями в пределах сессии

Самое важное нововведение было сделано в начале 80-х, когда в рамках работ по проекту DARPA сетевое программное обеспечение ARPANet было перенесено с TOPS/20 на BSD Unix. Вскоре сетевой стек BSD стал референтной реализацией (реализация, на совместимость с которой тестируют все остальные) того, что ныне известно как семейство протоколов TCP/IP. В 1980 г. было решено начать коммерческое распространение системы на несколько необычных принципах: AT&T предоставляла сторонним коммерческим фирмам (естественно, за плату) лицензии на использование исходных текстов ядра и основных системных утилит текущей версии UNIX, а уже эта сторонняя коммерческая фирма (дистрибьютор) строила на основе полученных и самостоятельно разработанных компонентов законченную систему — с инсталляционной программой, системой управления пакетами и т. д. — и занималась ее продажей конечным пользователям и сопровождением. Таким образом была создана специфическая бизнес-модель распространения ОС семейства UNIX, хорошо знакомая пользователям Linux. Первым из коммерческих распространителей стала фирма Microsoft, продававшая ядро UNIX v7 в составе ОС Microsoft Xenix. Xenix поставлялся почти для всех популярных в то время 16-разрядных миникомпыотеров и микропроцессорных систем [Дейтел 1987]. Как и BSD Unix, Xenix использовал виртуальную память и имел отдельное адресное пространство для ядра. В 1983 г. торговая марка Xenix и весь дистрибьюторский бизнес был передан фирме SCO в обмен на долю акций последней. К середине 80-х, воспитанное на университетских версиях UNIX поколение студентов пришло в промышленность. Началось бурное развитие рабочих станций (workstation) — мощных 32-разрядных персональных компьютеров, как правило, оснащенных страничными или сегментными диспетчерами памяти. Лицензия BSD допускала построение на основе кода BSD коммерческих систем без каких-либо ограничений, в том числе и без денежных выплат разработчикам ядра. Благодаря этому, а также благодаря техническому совершенству ядра BSD Unix, последнее оказалось гораздо более привлекательным, чем ядро AT&T, поэтому основная масса поставщиков рабочих станций строили свои ОС на основе BSD Unix. Это привело к быстрому и неконтролируемому размножению систем, называвших себя Unix, и при этом имевших значительное количество несовместимостей — дополнительных или, наоборот, нереализованных системных вызовов, ошибок, "документированных особенностей" и т. д. В 1984 г. AT&T заключила с федеральным антимонопольным комитетом США соглашение, в соответствии с которым компания должна была выделить локальные телефонные сети в отдельные компании, и согласовала планы создания конкурентной среды на рынке междугородней связи и выделения в отдельные компании подразделений, не имеющих отношения к телекоммуникациям. Долгосрочные результаты этого соглашения до сих пор являются предметом горячих дебатов среди юристов и экономистов, но важным с нашей точки зрения является то, что AT&T смогла напрямую заняться продажами и поддержкой программного обеспечения. На рынок вышло ядро Unix System V — первая поддерживаемая версия ядра AT&T UNIX. В 1987 г. вышла версия UNIX System V Release 3, включавшая в себя асинхронные драйверы последовательных устройств (STREAMS), универсальный API для доступа к сетевым протоколам (ТЫ), средства межпроцессного взаимодействия (семафоры, очереди сообщений и сегменты разделяемой памяти), ныне известные как SysV IPC, BSD-совместимые сокеты и ряд других В5Оизмов [Робачевский 1999]. SVR3 в то время воспринималась как этапная ОС, однако дальнейшее развитие системы вынуждает нас отнести ее скорее к переходным версиям. В этом же году AT&T и Sun Microsystems заключили стратегическое соглашение о разработке перспективного ядра UNIX System VI, которое должно было обеспечить совместимость с System V, BSD Unix и Xenix и, тем самым консолидировать возникший зоопарк Unix систем. Не имея финансовой поддержки со стороны локальных телефонных сетей AT&T оказалась вынуждена заняться поисками средств для поддержки деятельности по развитию UNIX. Во второй половине 80-х было сделано несколько попыток взыскать лицензионные отчисления с поставщиков коммерческих систем на основе BSD Unix. Нельзя сказать, чтобы эти попытки были особенно последовательными и успешными, но они породили ряд инициатив по разработке "лицензионно чистой Unix системы". Среди этих инициатив необходимо назвать следующие.

---

Смотрите также файлы

• Лек7_ОС_ИМ.doc

• операционные системы для заочного отделения.doc

• Лек2_ОС_ИМ.doc

• Лек6_ОС_ИМ.doc

• Лек8_ОС_ИМ.doc