Особенности областей использования

В соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности многозадачные ОС подразделяются на три типа:

­ системы пакетной обработки (например, ОС ЕС),

­ системы разделения времени (UNIX, VMS),

­ системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью таких систем является максимальная пропускная способность. Для этого сначала формируется пакет заданий, каждое из которых содержит требования к системным ресурсам; из таких пакетов заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, которые предъявляют отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы сбалансировать загрузку всех устройств компьютера. В таких системах невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

Системы разделения времени призваны устранить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю такой системы предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Каждой задаче выделяется квант процессорного времени, по истечении которого она должна освободить процессор. Если квант выбран достаточно небольшим, то у пользователей складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как не производится отбор «выгодных» системе задач, кроме того, имеются накладные расходы на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности в таких системах является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка, или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария. 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 реакции системы, 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 заданий 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.

По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мэйнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от OC особой организации, с помощью которой и сама система, и поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Это создает дополнительные проблемы для разработчиков, так как в таком случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров.
Кластер – это 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

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют ОС, специально разработанные так, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС, например, ОС 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 С, который и был разработан для программирования операционных систем.

Контрольные вопросы

1. Опишите основные черты следующих типов операционных систем:

- системы пакетной обработки;

- системы с разделением времени;

- системы реального времени.

2. Основным критерием систем пакетной обработки является:

a. решение максимального числа задач в единицу времени;

b. одновременное нахождение максимального количества задач в ОП;

c. удобство работы пользователя.

3. Системы пакетной обработки предназначены для решения задач:

a. вычислительного характера;

b. требующих постоянного диалога с пользователем;

c. требующих решения конкретной задачи за определенный промежуток времени.

4. В каких системах гарантируется выполнение задания за определенный промежуток времени:

a. пакетной обработки;

b. разделения времени;

c. системах реального времени.

5. Для симметричного мультипроцессирования верно:

a. системные задачи решаются только на определенном процессоре;

b. сначала выполняются задачи ОС;

c. системные задачи могут решаться на любом доступном процессоре.

6. Какая функция ОС по управления оперативной памятью характерна только для мультизадачных ОС:

a. выделение памяти по запросу;

b. освобождение памяти по завершению процесса;

c. защита памяти.

 

Функциональные компоненты операционной системы

Описать операционную систему можно только путем деления ее на меньшие компоненты. Не все ОС имеют одинаковую структуру. Однако во многих современных ОС присутствуют следующие компоненты:

– управление процессами;

– управление памятью (оперативной);

– управление вводом-выводом;

– управление файлами;

– защита системы;

– сетевое обслуживание;

– система интерпретации команд.

Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.

Процесс нуждается в определенных ресурсах, включая процессорное время, память, файлы и устройства ввода-вывода. Эти ресурсы могут выделяться ему при его создании и перераспределяться во время его выполнения. Поэтому для каждого создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах системы и о фактически выделенных ему ресурсах.

В многозадачной ОС одновременно может существовать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользователей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой ОС для выполнения своих функций.

Заметим, что программа сама по себе не является процессом. Программа есть сущность пассивная, также как содержимое файла на диске, в то время как процесс есть сущность активная. С однопоточным процессом связан единственный счетчик (регистр) адреса, определяющий команду, которая должна выполняться следующей. Процессор выполняет одну команду за другой, пока процесс не будет завершен. В многопоточных процессах имеется несколько счетчиков адреса, соответствующих каждому потоку выполнения.

В ОС нет однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же программный файл может породить несколько параллельно выполняемых процессов, а процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл и начать выполнять другую программу.

Процесс – рабочая единица операционной системы. ОС может быть представлена как набор процессов, некоторые из которых являются системными, а остальные – пользовательскими.

Управление процессами состоит в организации следующих действий:

­ создание и удаление как системных, так и пользовательских процессов;

­ приостановка и активизация процессов;

­ предоставление механизмов синхронизации процессов;

­ обеспечение процессов необходимыми ресурсами;

­ предоставление механизмов взаимодействия процессов;

­ предоставление механизмов обработки тупиковых ситуаций.

Управление памятью

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса.

Существует много алгоритмов распределения ОП. Они могут отличаться количеством выделяемых процессу областей памяти, степенью свободы границы областей. В некоторых ОС распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других – сегментами переменной длины.

Основными функциями ОС по управлению памятью являются:

­ отслеживание свободной и занятой памяти;

­ выделение памяти процессам и освобождение ее при завершении процессов;

­ защита памяти;

­ вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

­ настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.