Файл: Функции систем компьютеров (Теоретические основы операционных систем).pdf

Введение

За период существования ЭВМ операционные системы (ОС) значительно эволюционировали. Огромное влияние на эволюцию ОС оказало развитие элементной базы и вычислительной аппаратуры, поэтому многие этапы данного процесса тесно связаны с появлением новых типов аппаратных платформ, таких как мини-компьютеры или персональные компьютеры (ПК). Значительное развитие ОС претерпели в связи с новой ролью ПК в локальных и глобальных сетях и, особенно, с появлением Internet.

На сегодня около 90% ПК используют ОС Microsoft (MS) Windows – наиболее известную и распространенную, прошедшую путь от графической надстройки для MS-DOS на ПК с процессором Intel 8088 и максимальным объемом памяти 640 К до самой востребованной ОС в мире.

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что 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.

Целью курсовой работы является изучение функций операционных систем персональных компьютеров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть понятие, классификацию и назначение операционных системы;
• расркыть функции операционных систем;
• изучить развитие операционных систем Microsoft в свете совершенствования архитектуры ЭВМ;
• описать выбор операционной системы Windows для персональных компьютеров коммерческого предприятия.

Практическая значимость исследования заключается в том, что определены достоинства и недостатки рассмотренных операционных систем.

Успешность выполнения задач по написанию работы в наибольшей степени зависит от выбранных методов исследования.

В работе использовались методы как эмпирического исследования: сравнительно-сопоставительный, наблюдение, так и используемые как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования: абстрагирования, анализ и синтез.

Для раскрытия поставленной темы определена следующая структура: работа состоит из введения, основной части, заключения, списка использованной литературы.

---

Глава 1. Теоретические основы операционных систем

Понятие, классификация и назначение операционных системы

По определению ГОСТ под операционной системой (ОС) понимают систему программ, предназначенную для обеспечения определенного уровня эффективности вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемых пользователям определенного рода услуг.

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами – с одной стороны – и прикладными программами с другой.

С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и MacOS).^[1]

Классификация операционных систем

Различные операционные системы могут различаться алгоритмами управления основными устройствами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Рассмотрим развитие ОС с точки зрения исторического развития вычислительных ресурсов (опуская историю механических и электромеханических устройств).

Первый период (1945-1955 гг., ламповые машины) характеризовался:

1. Операционных систем нет.
2. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке.
3. Все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления.
4. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления).
5. Программы выполнялись строго последовательно.

Такой режим работы вычислительной системы называется последовательной обработкой данных. В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.

Второй период (1955 г. – начало 1960-х гг., компьютеры на основе транзисторов). Этот период с точки зрения развития технологии вычислительного процесса характеризуется:

---

1. Развитие алгоритмических языков (LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.).
2. Появляются первые компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм.
3. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов, разработчиков вычислительных машин и специалистов по эксплуатации.
4. Изменяется сам процесс прогона программ. Текст программы оформляется в виде колоды перфокарт – задание, с указанием необходимых ресурсов.

Основной недостаток такого процесса обработки информации: cмена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ, в результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования ВМ задания с похожими ресурсами начинают собирать вместе, создаётся пакет заданий.

1. Появляются первые системы пакетной обработки (СПО). Программа, постоянно находящаяся в памяти компьютера, автоматизирует запуск одной программы за другой из пакета и тем самым увеличивает коэффициент загрузки процессора. Программу можно назвать простейшей операционной системой, обеспечивающей обработку программ в однопрограммном пакетном режиме.
2. Появление магнитного диска (для которого не важен порядок чтения информации, в отличие от магнитных лент, которые были устройствами последовательного доступа) привело к возможности выбора определённого задания на исполнение.
3. СПО начинают решать задачи планирования заданий в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, приоритетов, срочности вычислений и т. д.

Третий период (начало 1960-х – 1980 г.), компьютеры на основе интегральных микросхем) и многозадачных ОС.

Многозадачные ОС позволяют параллельно выполнять несколько задач, распределяя между ними вычислительные ресурсы. Такой процесс обработки данных достигается за счет реализации принципа мультипрограммирования.

Многозадачность называется условной если между задачами делится только оперативная память, но не процессорное время, так как реально работает только одна активная задача, остальные ждут или ее завершения, или внешней команды на переключение (активизацию) другой задачи. Типичный представитель такой ОС – Windows 3.х.

Вытесняющая многозадачность – решение о переключении на другую задачу принимает сама ОС (например, на основе квантования процессорного времени между выполняемыми процессами). В качестве таких ОС можно назвать Windows NT, UNIX.

Роль операционной системы в поддержке многозадачности:

1. Организация интерфейса между прикладной программой и ОС при помощи системных вызовов.
2. Планирование использования процессора, т.е. организация очереди из заданий.

---

Создание и ведение контекста задания при переключении с одного задания на другое для обеспечения правильного продолжения вычислений;

1. Стратегии управления памятью, как ограниченным ресурсом ВС, т.е. реализация процессов размещения, замещения, выборки информации из памяти, реализация виртуализации памяти.
2. Организация хранения информации на внешних носителях и обеспечение доступа к конкретному файлу. Поскольку программам может потребоваться произвести санкционированный обмен данными, необходимо их обеспечить средствами коммуникации.
3. Для корректного обмена данными необходимо разрешать конфликтные ситуации, возникающие при работе с различными ресурсами, и предусмотреть координацию программами своих действий, т. е. снабдить систему средствами синхронизации.

Особенности аппаратной поддержки многозадачности:^[2]

1. Реализация защитных механизмов. Появление привилегированных для ОС (например, команды ввода-вывода) и непривилегированных команд для ограничения доступа программ пользователя к распределению ресурсов.
2. Наличие прерываний. Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие (т.е. событие происходящее независимо от других условий), например, завершилась операция ввода-вывода. Внутренние прерывания (сейчас их принято называть исключительными ситуациями,) возникают, когда выполнение программы привело к ситуации, требующей вмешательства ОС, например, деление на ноль или попытка нарушения защиты.
3. Развитие параллелизма в архитектуре ВМ за счёт прямого доступа к памяти и организации каналов ввода-вывода. КВВ – самостоятельные в логическом отношении устройства, которые работают под управлением собственных программ, находящихся в памяти. В современных машинах КВВ называют периферийными процессорами или процессорами ввода-вывода.

КВВ и интерфейсы выполняют следующие функции:

1. Выбор и подготовка к обмену того или иного ВУ, управление обменом.
2. Осуществляют определенную обработку данных, подлежащих обмену: изменение форматов, перемещаемых данных, формирование адресов, контроль количества передаваемых байтов и т. д.

КВВ позволяют иметь машины с переменным составом периферийных устройств, обеспечивают параллельную работу периферийных устройств как между собой, так и по отношению к процессору, обеспечивают автоматическое распознавание и реакцию процессора на различные ситуации, возникающие в периферийных устройствах.

---

Итак, реализация многозадачности привела к включению в состав ВМ отдельной системы управления, которая обеспечивает одновременную автоматическую работу процессора, оперативной памяти, каналов, внешних устройств. Эта система управления не исключает, а дополняет систему управления процессора (УУ), которая обеспечивает автоматическое выполнение команд программы в процессоре.

В настоящее время структура ВМ состоит из двух частей. Первая часть – аппаратная (hardware - процессор, оперативная память, каналы, внешние устройства). Вторая часть – операционная система (software, основная часть системного программного обеспечения ВМ, куда кроме ОС входят и другие системные программы), обеспечивающая управление многозадачности.

В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:

1. Системы пакетной обработки, СПО (ОС ЕС).
2. Системы с разделением времени (Unix, Linux, Windows).
3. Системы реального времени.

В системах пакетной обработки идея многозадачности 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.

Недостаток: эти системы обеспечивают высокую производительность при обработке больших объемов информации, но снижают эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

Системы с разделением времени

В системах с разделением времени специальный компонент ОС, называемый планировщиком заданий (процессов), делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам). При этом создается видимость одновременного выполнения нескольких задач.

Развитием идеи системы с разделением времени является:

1. Возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе. Отсюда ОС могут рассматриваться как с т. з. числа одновременно работающих пользователей как однопользовательские (MS DOS) и многопользовательские (Unix, Linux, Windows).

Эти системы обладают меньшей пропускной способностью, но обеспечивают высокую эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

1. Механизм виртуальной памяти, который позволяет уменьшить ограничения на количество работающих пользователей за счёт гибкого распределения всей памяти ВМ (как основной, так и внешней) для исполняемой программы. Основная часть про- граммы находится на диске и фрагмент, который необходимо в данный момент выполнять, может быть загружен в оперативную память, а ненужный — выкачан обратно на диск.
2. В системах разделения времени пользователь получил возможность эффективно производить отладку программы в интерактивном режиме и записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры.

---