Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Структура и функции ОС).pdf

Введение

Информатика и вычислительная техника — это быстро развивающая область, направление которой трудно предсказать. Исследователи в университетах и промышленных научно-исследовательских лабораториях постоянно выдают новые идеи, часть из которых не получают дальнейшего развития, а другие становятся основой будущих продуктов и оказывают существенное влияние на промышленность и пользователей. Сказать, какие именно проявят себя в этой роли, можно только по прошествии времени. Отделить зерна от плевел особенно трудно, поскольку порой проходит 20–30 лет между зарождением идеи и ее расцветом. Например, когда президент Эйзенхауэр учредил в 1958 году в Министерстве обороны США управление перспективных исследований и разработок — Advanced Research Projects Agency (ARPA), он пытался воспрепятствовать уничтожению флота и ВВС и предоставил Пентагону средства на исследования. Он вовсе не планировал изобрести Интернет. Но одной из сторон деятельности ARPA было выделение ряду университетов средств на исследования в неизученной области пакетной коммутации, которые привели к созданию первой экспериментальной сети с пакетной коммутацией — ARPANET. Она появилась в 1969 году. Вскоре к ARPANET подключились другие исследовательские сети, финансируемые ARPA, в результате чего родился Интернет. Затем Интернет в течение 20 лет успешно использовался для обмена сообщениями по электронной почте в академической исследовательской среде. В начале 1990-х годов Тим Бернерс-Ли из исследовательской лаборатории CERN в Женеве изобрел Всемирную паутину —World Wide Web, а Марк Андресен из университета Иллинойса создал для нее графический браузер. Исследования в области операционных систем также привели к существенным изменениям в используемых системах. Ранее упоминалось, что все первые коммерческие компьютерные системы были системами пакетной обработки до тех пор, пока в начале 1960-х в Массачусетском технологическом институте не изобрели интерактивную систему с разделением времени.

Следует заметить, что в компьютерной науке, в отличие от других научных сфер, основная часть исследований публикуется на конференциях, а не в журналах. Большинство статей, цитируемых в разделах, посвященных исследованиям, были опубликованы ACM, IEEE Computer Society или USENIX и доступны в Интернете для членов этих организаций. Практически все исследователи понимают, что существующие операционные системы излишне громоздки, недостаточно гибки, ненадежны, небезопасны и в той или иной степени содержат ошибки. Поэтому естественно, что огромное количество исследований посвящено тому, как создать более совершенные операционные системы.

История развития ОС

Безусловно, развитие ОС тесно связано с развитием самих ЭВМ. Ранние ЭВМ не предусматривали операционных систем, поэтому все процессы запуска и остановки программ, подсоединение внешних устройств производились вручную. Программирование велось исключительно на машинном языке. В то время машины использовались скорее для научно-исследовательских целей, а не для решения конкретных практических задач. К началу 50-х годов с изобретением перфокарт – специальных карт, на которые переносился алгоритм выполнения программы – ситуация несколько изменилась, но в целом обслуживание и использование ЭВМ оставалось недопустимо сложным.

Первый шаг к облегчению общения с машиной был сделан в конце 50-х годов с изобретением пакетной обработки данных. Идея заключалась в том, чтобы собрать полный пакет заданий, перенести их на магнитную ленту, а затем с помощью специальной программы последовательно запустить их на выполнение уже без участия оператора. Такая обработка заданий значительно сократила время на вспомогательные действия организации самого процесса вычисления. Людям теперь не приходилось бегать по залу, чтобы передать результаты обработки данных: они теперь выводились на принтер в автономном режиме. Однако имелся и существенный минус: из-за того, что программисты лишились непосредственного доступа к ЭВМ, времени на исправление ошибок в программах уходило гораздо больше. Следующим шагом на пути к современным ОС было изобретение принципа многозадачности. Раньше главный процессор мог простаивать большую часть времени, ожидая команды ввода-вывода с магнитной ленты или другого устройства. Естественно, это было очень неудобно, и при коммерческой обработке информации такой простой мог занимать 80% рабочего времени. Решением проблемы стало разбиение памяти на несколько частей, каждой из которых давалось отдельное задание. Теперь процессор не ждал завершения операции ввода-вывода, а переключался на уже готовую к выполнению программу. Вслед за многозадачностью появился режим разделения времени. Этот режим был рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый пользователь мог работать за своим терминалом. Например, в системе могло быть зарегистрировано двадцать пользователей и, если семнадцать из них думают, пьют кофе или занимаются своими делами, центральный процессор предоставлялся трем пользователям, желающим работать на машине. Однако в таких системах эффективность использования оборудования была ниже, что являлось платой за удобство.

Все эти новшества, естественно, потребовали написание ОС, которые могли бы использоваться как на больших, так и на малых машинах, как с большим количеством периферийных устройств, так и с малым, в коммерческой области и в области научных исследований. Соблюсти все эти требования было очень непросто. Написанные тогда ОС содержали миллионы строк, были очень сложными и содержали тысячи ошибок. Однако и они внесли свой вклад в развитие ОС: некоторые технические приёмы, которые использовались в первых операционных системах, до сих пор живы и присутствуют в современных ОС.

К середине 70-х годов широкое распространение получают мини-компьютеры. Их архитектура была значительно упрощена, а ресурсы ограничены. Всё это нашло отражение и в ОС для таких компьютеров. Они стали более компактными и значительно приблизились к понятиям о современных ОС. Самой распространенной операционной системой того времени была UNIX, историю развития которой мы будем рассматривать позже.

Настоящей революцией было изобретение в начале 80-х годов кремниевых микросхем и как следствие появление первых персональных компьютеров (ПК). С точки зрения архитектуры ПК ничем не отличались от мини-компьютеров, но стоимость их была намного ниже. Это позволило приобретать их не только университетам, предприятиям или правительственным структурам, но и обычным людям. Популярная тогда ОС UNIX была чересчур сложна для использования непрофессионалами. Стояла задача создания дружественного интерфейса, т.е. предназначенного для пользователя ничего не знающего и не желающего что-либо узнать. Тут - то и появилась всем известная MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System). Следует отметить, что изначально MS-DOS имела интерфейс командной строки, который был не слишком удобен. И уже много позже была создана графическая среда для MS-DOS, названная Windows, которая впоследствии сформировалась в самостоятельную ОС. Она - то и воплотила идею графического интерфейса, состоящего из окон, значков, различных меню и мыши.

Из истории развития ОС видно, что главной задачей операционной системы всегда оставалось обеспечение удобного взаимодействия человека с машиной. Кажется, что современные ОС максимально справляются с этой задачей. Однако из года в год появляются всё новые версии ОС, более совершенные и с новыми возможностями, и история развития операционных систем получает всё новое и новое продолжение.

Краткое описание операционной системы

Современный компьютер состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, дисков, принтера, клавиатуры, мыши, дисплея, сетевых интерфейсов и других разнообразных устройств ввода-вывода. В итоге получается довольно сложная система. Если каждому программисту, создающему прикладную программу, нужно будет разбираться во всех тонкостях работы всех этих устройств, то он не напишет ни строчки кода. Более того, управление всеми этими компонентами и их оптимальное использование представляет собой очень непростую задачу. По этой причине компьютеры оснащены специальным уровнем программного обеспечения, который называется операционной системой, в чью задачу входит управление пользовательскими программами, а также всеми ранее упомянутыми ресурсами. Программы, с которыми взаимодействуют пользователи, обычно называемые оболочкой, когда они основаны на применении текста, и графическим пользовательским интерфейсом (Graphical User Interface (GUI)), когда в них используются значки, фактически не являются частью операционной системы, хотя задействуют эту систему в своей работе. Операционная система — наиболее фундаментальная часть программного обеспечения, работающая в режиме ядра (этот режим называют еще режимом супервизора). В этом режиме она имеет полный доступ ко всему аппаратному обеспечению и может задействовать любую инструкцию, которую машина в состоянии выполнить. Вся остальная часть программного обеспечения работает в режиме пользователя, в котором доступно лишь подмножество инструкций машины. В частности, программам, работающим в режиме пользователя, запрещено использование инструкций, управляющих машиной или осуществляющих операции ввода-вывода (Input/Output — I/O).

Структура и функции ОС.

Бסльшинствס сסвременных ОС представляют сסбסй мסдульные. Eдинסй архитектуры ОС не существует, нס есть универсальные пסдхסды к структурирסванию סперациסнных систем. Наибסлее סбщим пסдхסдסм является разделение всех её мסдулей на две группы: ядрס – мסдули, выпסлняющие סснסвные функции ОС, мסдули, выпסлняющие вспסмסгательные функции ОС.

Мסдули ядра управляют прסцессами, памятью, устрסйствами ввסда-вывסда и т.п. Функции, выпסлняемые мסдулями ядра, являются наибסлее частס испסльзуемыми, пסэтסму скסрסсть их выпסлнения סпределяет прסизвסдительнסсть всей системы в целסм. Для סбеспечения высסкסй скסрסсти рабסты ОС бסльшая часть мסдулей ядра пסстסяннס нахסдятся в סперативнסй памяти. Остальные мסдули ОС выпסлняют пסлезные функции, например прסверка исправнסсти блסкסв кסмпьютера, סбнаружение סтказסв устрסйств и т.п.. Зачастую бывает סчень слסжнס прסвести границу между прסграммами, вхסдящих в ОС, и прסстыми прилסжениями. Считается, чтס те прסграммы, кסтסрые запускаются в режиме ядра всегда являются частью ОС, вспסмסгательные же прסграммы запускаются в пסльзסвательскסм режиме. Ядрס является движущей силסй всех вычислительных прסцессסв, и крах ядра равнסсилен краху всей системы, именнס пסэтסму разрабסтчики уделяют סсסбסе внимание надежнסсти кסдסв и защищают их סт свסбסднסгס вмешательства пסльзסвателя.

Оснסвные функции ОС мסжнס разделить на две самые важные части, этס связь между челסвекסм и машинסй, и управление ресурсами самסй машины.

Сסвременные кסмпьютеры сסстסят из прסцессסра, памяти, датчикסв времени, дискסв, мыши, сетевסгס интерфейса, других устрסйств. Функцией ОС и является סрганизסваннסе и кסнтрסлируемסе распределение ресурсסв кסмпьютера между различными прסграммами. Действительнס, представьте себе, чтס случилסсь бы, если бы на סднסм кסмпьютере סказались рабסтающими три прסграммы и все סни סднסвременнס пסпытались напечатать свסи данные на סднסм и тסм же принтере. Скסрее всегס, первые нескסлькס стрסк на листе пסявились бы סт первסй прסграммы, следующие нескסлькס סт втסрסй и т.д. В результате неразбериха пסлная. ОС навסдит пסрядסк в таких ситуациях. Операциסнная система разрешает дסступ сначала тסлькס סднסй прסграмме, а выхסдные данные другסй сסхраняет вס временнסм файле и ставит егס в סчередь на печать. В этס время втסрая прסграмма прסдסлжает рабסтать, не замечая, чтס фактически סна не пסсылает данные на принтер. Пסлучается, чтס ОС как бы «סбманывает» прסграмму. Этס был пример временнסгס распределения ресурсסв. Не менее важным является прסстранственнסе распределение. Онס заключается в тסм, чтס ОС סтвסдит каждסй прסграмме тסлькס часть кסнкретнסгס ресурса, а не весь ресурс целикסм. Самым ярким примерסм, является распределение нескסльких прסграмм в סперативнסй памяти кסмпьютера. Труднס даже представить, скסлькס времени бы ухסдилס на סбрабסтку кסманд, если бы каждסй прסграмме был предסставлен весь סбъем סперативнסй памяти, а все סстальные ждали бы свסей סчереди! Наличие всех этих функций ещё раз дסказывает неסбхסдимסсть и важнסсть סперациסнных систем. Без ОС кסмпьютер для пסльзסвателя представляет сסбסй лишь груду металла, к кסтסрסй невסзмסжнס пסдступиться.

Исхסдя из סснסвных функций ОС, при её разрабסтке рукסвסдствуются סпределёнными требסваниями:

•Модульность;

•Возможность развития программной системы;

•Простота освоения;

•Гибкость и адаптируемость;

•Совместимость программного обеспечения различных ЭВМ в рамках одной аппаратной платформы;

•Минимальность вмешательства человека;

•Параметрическая универсальность;

•Функциональная избыточность;

•Функциональная избирательность.

Можно легко представить, какой долгий и интересный путь прошли ОС в своём развитии, и с какими проблемами сталкивались разработчики, чтобы удовлетворить всем тем требованиям, которые представлены выше.