Лекция 3. Архитектура операционной системы

 

Любая хорошо организованная сложная система имеет понятную и рациональную структуру, то есть разделяется на части - модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы, а сложную систему без хорошей структуры чаще проще разработать заново, чем модернизировать.

Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к слож­ности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т. д.

Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.

Основным исполнительным компонентным ядром ОС, реализующим главное назначение ОС, - управление ресурсами ВС, является управляющая программа, общая структура и функции которой определяются обобщенной структурой вычислительного комплекса. Обобщенная структура управляющей программы имеет вид, представленный на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Обобщенная структура управляющей программы.

 

В состав операционной системы входят следующие подсистемы:

1. Управление процессами.

2. Управление основной памятью.

3. Управление внешней памятью.

4. Управление устройствами ввода/вывода.

5. Управление файлами.

6. Защита системы.

7. Сетевая поддержка.

8. Командный интерфейс системы.

Управление процессами

Процесс - это программа в стадии выполнения. Процессу необходимы определенные ресурсы, включая процессорное время, память, файлы и устройства ввода/вывода для выполнения своих задач. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением процессами:

- создание и удаление процессов;

- приостановку и возобновление процессов;

- обеспечение механизмов для синхронизации процессов;

- обеспечение механизмов для взаимодействия процессов.

Управление основной памятью

Память представляет собой большой массив слов или байт, каждый из которых имеет собственный адрес. Это хранилище данных, к которым обеспечивается быстрый доступ, распределенный между процессором и устройствами ввода/вывода. Основная память - энергозависимое устройство, которое теряет содержимое в случае выключения системы. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением памятью:

- ведет учет того, какая часть памяти в настоящий момент занята;

- принимает решение о загрузке процессов при освобождении пространства ОП;

- распределяет и освобождает пространство ОП в соответствии с действующими стратегиями.

Управление внешней памятью

Поскольку основная память (первичная память) энергозависима и слишком мала для размещения всех данных и программ постоянно, ВС должна обеспечить вторичную память для сохранения основной памяти. Большинство современных ВС используют диски как средство оперативного хранения как программ, так и данных. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением внешней памятью:

- управление свободным пространством;

- распределение памяти;

- управление диском.

Подсистема управления устройствами ввода/вывода

Подсистема ввода/вывода состоит из:

- системы кэширования - буферирования;

- общего интерфейса драйверов устройств;

- драйверов специализированных устройств.

Подсистема управления файлами

Файл представляет собой набор взаимосвязанной информации, определенной при создании. Кроме собственно данных, файлы представляют программы, как в исходном, так и в объектном виде.

Подсистема ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением файлами:

- создание файлов;

- создание и удаление подкаталогов;

- поддержку операций для манипулирования с файлами и подкаталогами;

- представление файлов во внешней памяти;

- выгрузку файлов на другие внешние устройства.

Защита системы

Защита системы предполагает наличие механизма для управления доступом программ, процессов и пользователей к системным и пользовательским ресурсам.

Механизм защиты должен:

- различать авторизованное и не авторизованное использование;

- определить элементы управления, которые будут задействованы;

- обеспечить средства реализации.

Сетевое обеспечение

Распределенная система - набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим:

- увеличить скорость вычислений;

- увеличить объем доступной информации;

- повысить надежность.

Командный интерфейс системы

Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:

- создание и управление процессов;

- управление вводом/выводом;

- управление внешней памятью;

- управление основной памятью;

- доступ к файловой системе;

- защиту;

- поддержку работы сети.

Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имет разные названия:

- интерпретатор управляющих карт;

- процессор команд консолей;

- shell (в Unix).

Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.

Сервисы операционных систем:

- выполнение программ - способность системы загружать программу в память и выполнять ее;

- операции ввода/вывода. Поскольку пользовательские программы не могут исполнять операции ввода/вывода непосредственно, ОС должна обеспечивать некоторые средства для их выполнения;

- манипуляции с файловой системой выражаются в обеспечении способности читать, писать, создавать и удалять файлы;

- взаимодействие и обмен информацией между выполняющимися процессами на одном компьютере или на различных системах, связанных посредством сети, осуществляется через распределенную память или передачу сообщений;

- обнаружение ошибок - гарантия правильности вычислений посредством обнаружения ошибок в процессоре, памяти, устройствах ввода/вывода или в пользовательских программах.