Четвертое поколение с середины 70-х. Период характеризуется уменьшением стоимости компьютеров и увеличением стоимости труда программиста. Появление персональных компьютеров позволило установить компьютер практически каждому пользователю на рабочем столе. Благодаря широкому распространению вычислительных сетей и средств оперативной обработки (режим on-line), пользователи получают доступ к территориально распределенным компьютерам. Появились микропроцессоры, на основе которых создаются все новые и новые PC, которые могут быть использованы, как автономно, так и в качестве терминалов более мощных вычислительных систем. При передаче информации по линиям связи усложняются проблемы защиты информации, шифрования данных. Возникло понятие сетевого компьютера (Network computer) , способного получать все ресурсы через компьютерную сеть. Понятие файловой системы распространяется на данные, доступные по различным сетевым протоколам.

Число людей, пользующихся компьютером, значительно возросло, что выдвигает требование дружественного интерфейса пользователя, ориентации на неподготовленного пользователя. Появились системы с управлением с помощью меню и элементов графического интерфейса. Начала широко распространяться концепция виртуальных машин. Пользователь более не заботится о физических деталях построения ЭВМ или сетей. Он имеет дело с функциональным эквивалентом компьютера, создаваемым для него ОС, представляющим виртуальную машину. Таким образом, возникла концепция виртуализации ресурсов ЭВМ. Виртуальным ресурсом называется функциональный программно моделируемый эквивалент реального монопольного ресурса, допускающий его совместное использование многими процессами. Мультипрограммирование – виртуализация центрального процессора (ЦП – CPU). Буферный ввод/вывод – виртуализация устройств ввода и вывода.

В настоящее время концепция виртуальных машин находит все большее распространение. Виртуальная машина – это функциональный эквивалент реальной ЭВМ, обеспечивающий пользователей на основе одной ЭВМ множество функционально эквивалентных ей ЭВМ.

Широкое внедрение получила концепция распределенной обработки данных. Развитием распределенной обработки данных стала технология Клиент - Сервер, в которой серверный процесс предоставляет возможность использовать свои ресурсы клиентскому процессу по соответствующему протоколу взаимодействия. Название сервера отображает вид ресурса, который предоставляется клиентским системам (сервер печати, сервер вычислений, сервер баз данных, сервер новостей, сервер FTP, сервер WWW и т.д.)

Модуль 1. Эволюция операционных систем

Тема 2. Основные характеристики и принципы построения операционных систем.

1. Основные характеристики ОС

2. Принципы построения ОС

Основные характеристики ОС

Введем в рассмотрение ряд понятий. Вычислительный процесс представляет собой программу или задачу в стадии выполнения. Вычислительным ресурсом называется любой объект вычислительной системы, необходимый для выполнения процесса. Вычислительные ресурсы по способу возможного использования подразделяются на:

• монопольные, которые могут использоваться только одной программой (печать, МЛ);

• разделяемые, которые допускают их совместное использование одновременно несколькими процессами (НМД, ОП).

В мультипрограммных и мультипроцессорных системах требуется разделение всех ресурсов, что и породило их виртуализацию.

Особенности алгоритмов управления ресурсами. От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

Основным различием между вытесняющим и не вытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами – подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации обо всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

Принципы построения ОС

ОС различаются по назначению, выполняемым функциям, формам реализации. Тем не менее, в основу их создания заложены общие принципы.

1. Частотный принцип. Для действий, которые часто встречаются при работе с ОС, обеспечиваются условия их быстрого выполнения.

2. .Принцип модульности. Модуль – функциональный элемент системы, имеющий оформление, законченное и выполненное в пределах требований системы, и средства сопряжения с другими модулями. Модули бывают однократными, многократными и реентерабельными.

3. Принцип функциональной избирательности. Используется при формировании ядра ОС. Модули "под рукой".

4. Принцип генерируемости. Настройка средств ОС, исходя из конкретной конфигурации ЭВМ и круга решаемых проблем (OS/2, Windows, UNIX).

5. Принцип функциональной избыточности. Проведение одной и той же работы различными средствами ОС -MFT, MVT, SVM.

6. Принцип умолчания. Он основан на хранении в системе некоторых данных, которые назначаются объектам ОС в случае их не указания.

7. Принцип перемещаемости. Построение модулей, исполнение которых не зависит от места расположения в ОП.

8. Принцип защиты. Он предполагает необходимость разработки мер, ограждающих программы и данные пользователей от нежелательных влияний друг на друга. (Привилегированные команды. Границы области адресации.).

9. Принцип независимости программ от внешних устройств. Связь программы с конкретным устройством устанавливается не на уровне трансляции, а в период ее исполнения.

Модуль 2. Архитектура вычислительной системы

Тема 3. Общая структура программного  обеспечения и операционных систем ЭВМ

Структура ОС

Управление процессами

Управление основной памятью

Управление внешней памятью

Подсистема управления устройствами ввода/вывода

Подсистема управления файлами

Защита системы

Сетевое обеспечение

Командный интерфейс системы

Сервисы операционных систем

Особенности методов построения

Состав конкретной ОС во многом зависит от конкретной ориентации, сферы применения ОС. Современные ОС имеют подвижные границы и могут включать различные компоненты общесистемного программного обеспечения (ОСПО). Состав ОС в целом определяется современной архитектурой вычислительной системы (ВС), которая представляет собой иерархическую совокупность аппаратного обеспечения (АО) и программного обеспечения (ПО), реализующих процесс решения задач на ЭВМ. Каждый слой состоит из множества элементов и решает свои задачи.

АО определяет внешнюю архитектуру ЭВМ, в том числе:

• машинный язык как систему команд процессора;

• программно-адресуемые регистры;

• организационную схему адресации ОП (реальная/виртуальная, линейная/сегментная);

• фиксирует порядок взаимодействия всех аппаратных блоков: ЦП, оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), каналов внешних запоминающих устройств (ВЗУ), периферийных устройств (ПУ).

В современной ЭВМ АО состоит из двух слоев:

Собственно технические средства аппаратуры, включающие в свой состав:

• электрические цепи;

• вентили, триггеры, интегральные схемы (ИС), большие интегральные схемы (БИС), микропроцессоры (МП);

• Микропрограммное обеспечение - набор микропрограмм, которые на основе системы микрокоманд и внутренних регистров МП в сверхбыстром постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и перепрограммируемом ПЗУ (ППЗУ), реализуют практически все аппаратные блоки ЭВМ.

В настоящее время, каждый блок компьютера представляет собой микро-ЭВМ с некоторым функциональным набором команд (адаптер, контроллер, блок управления, блок сопряжения). Теперь для того, чтобы модифицировать функциональность компьютерного оборудования, можно перепрограммировать ПЗУ. Таким образом, можно изменить, например, базовую систему ввода/вывода (BIOS) IBM PC или протокол передачи данных модема.

Микропрограммная реализация ЭВМ обеспечивает:

1. Технологичность изготовления ЭВМ, снижение расходов на изготовление конкретных аппаратных блоков.

2. Легкость расширения и изменения внешней архитектуры ЭВМ.

3. Повышение производительности ВС посредством погружения ПО на микропрограммный уровень.

Микропрограммный уровень, как правило, не доступен для ПО ВС и программируется с помощью программаторов (специальных устройств). Современные же ПЗУ (Flash ПЗУ) можно перепрограммировать с помощью пользовательской программы без специализированных устройств.