Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров.pdf

По числу одновременно работающих пользователей операционные системы делятся на:

• однопользовательские;
• многопользовательские.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки – мультипроцессирование. Мультипроцессирование неизбежно приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорные операционные системы могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

• асимметричные операционные системы;
• симметричные операционные системы.

Асимметричная операционная система целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная операционная система полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами^[11].

2. Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы:

• персональных компьютеров;
• мини-компьютеров;
• мейнфреймов;
• кластеров и сетей ЭВМ^[12].

Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Очевидно, что операционные системы большой машины являются более сложными и функциональными, чем операционные системы персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров.

Сетевая операционная система

Сетевая операционная система имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС.

На основе этих сообщений сетевая операционная система поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые операционные системы содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как TCP/IP, IPX, Ethernet и другие.

---

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы.

Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае в гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить нежелательные последствия асинхронного выполнения работ^[13].

Операционная система кластеров

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер – слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой.

Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны ОС, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы^[14].

Мобильные операционные системы

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС.

Наиболее ярким примером такой операционной системы является система Unix. В этих системах аппаратно–зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно–независимом языке, например, на языке Си, который и был разработан для программирования операционных систем^[15]

3. Особенности областей использования ОС

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

• системы пакетной обработки;
• системы разделения времени;
• системы реального времени.

Системы пакетной обработки

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования:

---

• в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам;
• из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач^[16].

Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом–выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается «выгодное» задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из–за необходимости выполнить операцию ввода–вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Системы разделения времени

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя–программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой.

Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если выбранный квант достаточно небольшой, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя^[17].

---

Системы реального времени

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами (станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, за которое должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме^[18].

Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакциисистемы, а соответствующее свойство системы – реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

4. Особенности методов построения ОС

В руководстве по работе с операционной системой часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу. К таким базовым концепциям относится способ построения ядра системы: монолитное ядро илимикроядро. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский режим и наоборот.

Альтернативой является построение операционной системы на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС – серверы, работающие в пользовательском режиме. При такой реализации ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой – ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

---

Построение операционной системы на базе объектно–ориентированного подхода дает возможность использовать все достоинства этого метода (хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений) внутри операционной системы, а именно:

• аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов;
• возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования;
• хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне;
• структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов^[19].

Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной операционной системы реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера.

Характерными признаками распределенной организации операционной системы являются:

• наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов;
• наличие единой службы времени;
• использование механизма вызова удаленных процедур для прозрачного распределения программных процедур по компьютерам;
• применение многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети;
• наличие других распределенных служб^[20].

Как видно из приведенного материала, существуют самые разнообразные типы и виды операционных систем. Данное разнообразие необходимо, так как те или иные операционные системы обладают необходимым набором функций, которые востребованы для определенных отраслей и компьютеров. Благодаря разнообразию операционных систем и выполняемых ими функций, пользователи могут выбирать для себя, своей компании или домашней сети наиболее подходящую.

2.2 Функции операционных систем персональных компьютеров

Принято выделять следующие основные функции операционных систем персональных компьютеров:

1. Обеспечение интерфейса пользователя

Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его базовую систему ввода–вывода, с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

---