Понятие операционной системы. Функции операционной системы. Классификация операционных систем.

Компоненты операционной системы. Виды ядер.

 

Компоненты операционной системы

Загрузчик

Ядро

Командный процессор (интерпретатор)

Драйверы устройств

Интерфейс

Монолитное ядро - предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем.

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

 

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

 

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

 

Микроядро - предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.

Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

 

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

 

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.

 

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Microsoft Windows семейства NT: Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7.

 

Основные понятия ОС: системные вызовы, прерывания, исключительные ситуации, файлы, процессы и нити.

 

Основные понятия, концепции ОС

Системные вызовы

В любой операционной системе поддерживается механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться к услугам ядра ОСВ ОС Unix такие средства называют системными вызовами.

 

 

Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра (kernel mode). Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями, в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями. В этом режиме работает код ядра операционной системы, причем исполняется он в адресном пространстве и в контексте вызвавшей его задачи.

вызов осуществляется командой программного прерывания (INT). Программное прерывание – это синхронное событие, которое может быть повторено при выполнении одного и того же программного кода.

 

Прерывания

 

Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, что произошло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода-вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Исключительные ситуации

 

Исключительная ситуация (exception) – событие, возникающее в результате попытки выполнения программой команды, которая по каким-то причинам не может быть выполнена до конца. Примерами таких команд могут быть попытки доступа к ресурсу при отсутствии достаточных привилегий или обращения к отсутствующей странице памяти

 

Файлы

Файлы предназначены для хранения информации на внешних носителях, то есть принято, что информация, записанная, например, на диске, должна находиться внутри файла. Обычно под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации.

 

Главная задача файловой системы (file system) – скрыть особенности ввода-вывода и дать программисту простую абстрактную модель файлов, независимых от устройств

 

Процессы, нити

San znaesh J.

1. Процессы. Состояния процесса.

Основной задачей процеса является выполнение определенного набора команд, которые находятся как минимум в двух состояниях: процесс исполняется и процесс не исполняется.

 

Переключение контекста.

Для корректного переключения процессора с одного процесса на другой необходимо сохранить контекст исполнявшегося процесса и восстановить контекст процесса, на который будет переключен процессор. Такая процедура сохранения/восстановления работоспособности процессов называется переключением контекста.

 

10. Планирование процессов. Критерии планирования и требования к алгоритмам.

 

Планирование заданий используется в качестве долгосрочного планирования процессов. Оно отвечает за порождение новых процессов в системе, определяя ее степень мультипрограммирования, т. е. количество процессов, одновременно находящихся в ней. Если степень мультипрограммирования системы поддерживается постоянной, т. е. среднее количество процессов в компьютере не меняется, то новые процессы могут появляться только после завершения ранее загруженных.

Критерии планирования и требования к алгоритмам:

 

Справедливость – гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора

 

Эффективность – постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов, готовых к исполнению.

(turnaround time) – обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.

(waiting time) – сократить время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.

(response time) – минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.

 

желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами:

Были предсказуемыми.

Потоки на уровне ядра

В программе, работа которой полностью основана на потоках, работающих на уровне ядра, все действия по управлению потоками выполняются ядром. В области приложений отсутствует код, предназначенный для управления потоками. Вместо него используется интерфейс прикладного программирования (application programming interface — API) средств ядра, управляющих потоками. Примерами такого подхода являются операционные системы OS/2, Linux и W2K.

 

Таблица потоков. Информация в таблице потоков

Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице процессов операционной системы.

Некоторые поля таблицы:

 

16. Алгоритмы планирования: FIFO.

FIFO — акроним First In, First Out («первым пришёл — первым ушёл», англ.), абстрактное понятие в способах организации и манипулирования данными относительно времени и приоритетов. Это выражение описывает принцип технической обработки очереди или обслуживания конфликтных требований путём упорядочения процесса по принципу: «первым пришёл — первым обслужен» (ПППО). Тот, кто приходит первым, тот и обслуживается первым, пришедший следующим ждёт, пока обслуживание первого не будет закончено, и т.д.

17. Алгоритмы планирования: «кратчайшая задача – первая»

Кратчайшая задача-первая. Т.е. предполагается, что временные отрезки работы известны заранее. Если в очереди есть несколько одинаково важных задач, планировщик выбирает первой самую короткую. Пусть есть 4 задачи: А,В,С,Д.(8,4,4,4-время их выполнения). Если мы их запустим в порядке А,В,С,Д - то среднее время = 14. А, если их запустим в порядке В,С,Д,А - то ср.время = 11

18. Алгоритмы планирования: приоритетное планирование.

Алгоритмы SJF и гарантированного планирования представляют собой частные случаи приоритетного планирования. При приоритетном планировании каждому процессу присваивается определенное числовое значение — приоритет, в соответствии с которым ему выделяется процессор. Процессы с одинаковыми приоритетами планируются в порядке FCFS. Для алгоритма SJF в качестве такого приоритета выступает оценка продолжительности следующего CPU burst. Чем меньше значение этой оценки, тем более высокий приоритет имеет процесс. Для алгоритма гарантированного планирования приоритетом служит вычисленный коэффициент справедливости. Чем он меньше, тем больше приоритет у процесса.

19. Алгоритмы планирования: планирование в системах реального времени.

Большинство ОСРВ (Операционные Системы Реального Времени) выполняют планирование задач, руководствуясь следующей схемой.[8] Каждой задаче в приложении ставится в соответствие некоторый приоритет. Чем больше приоритет, тем выше должна быть реактивность задачи. Высокая реактивность достигается путём реализации подхода приоритетного вытесняющего планирования (preemptive priority scheduling), суть которого заключается в том, что планировщику разрешается останавливать выполнение любой задачи в произвольный момент времени, если установлено, что другая задача должна быть запущена незамедлительно.

Линии связи. Буферизация.

обладает ли канал связи буфером и каков объем этого буфера. Здесь можно выделить три принципиальных варианта.

1.Буфер нулевой емкости или отсутствует. Никакая информация не может сохраняться на линии связи. В этом случае процесс, посылающий информацию, должен ожидать, пока процесс, принимающий информацию, не соблаговолит ее получить, прежде чем заниматься своими дальнейшими делами (в реальности этот случай никогда не реализуется).

2.Буфер ограниченной емкости. Размер буфера равен n, то есть линия связи не может хранить до момента получения более чем n единиц информации. Если в момент передачи данных в буфере хватает места, то передающий процесс не должен ничего ожидать. Информация просто копируется в буфер. Если же в момент передачи данных буфер заполнен или места недостаточно, то необходимо задержать работу процесса отправителя до появления в буфере свободного пространства.

3.Буфер неограниченной емкости. Теоретически это возможно, но практически вряд ли реализуемо. Процесс, посылающий информацию, никогда не ждет окончания ее передачи и приема другим процессом.

При использовании канального средства связи с непрямой адресацией под емкостью буфера обычно понимается количество информации, которое может быть помещено в промежуточный объект для хранения данных.

См. 33. 36.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область (рис. 5.10). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором — реже выполняется процедура сжатия.

Понятие операционной системы. Функции операционной системы. Классификация операционных систем.

 

ОС отвечает за управление процессоров, ОП, дисков, клавиатуры, монитора, принтеров, сетевого интерфейса и других устройств, и обеспечивает пользователя имеющими простой, доступный интерфейс программами для работы с аппаратурой.

 

Компьютерная система состоит из аппаратного обеспечения, системных программ и программ-приложений.

 

Внизу находится аппаратное обеспечение, которое во многих случаях само состоит из двух или более уровней (или слоев). Самый нижний уровень содержит физические устройства, состоящие из интегральных микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т. п.

 

Выше расположен микроархитектурный уровень, где находятся внутренние регистры и арифметико-логическое устройство (АЛУ). На каждом такте процессора из регистра выбирается один или два операнда, которые обрабатываются в АЛУ. Результат сохраняется в одном или нескольких регистрах. В некоторых машинах операции над данными контролируются программными приложениями, которые называются микропрограммами. В других компьютерах такой контроль выполняется напрямую аппаратными цепями.

 

Следующий уровень – машинный. Здесь команды могут использовать регистры или другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста называются машинным языком. Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин. Управление устройствами на этом уровне осуществляется с помощью загрузки определенных величин в специальные регистры устройств.

 

Системный слой начинаются с ОС. Она предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности. Она состоит из уровня ПО, который частично избавляет от необходимости общения с аппаратурой напрямую, вместо этого предоставляя программисту более удобную систему команд.

 

Над ОС расположены интерпретатор команд, компиляторы, редакторы и т. д. Подобные программы не являются частью ОС, хотя обычно поставщики компьютеров устанавливают их на машины. Под ОС обычно понимается то ПО, которое запускается в режиме ядра (режиме супервизора). Она защищена от вмешательства пользователя с помощью аппаратных. Компиляторы и редакторы запускаются в пользовательском режиме. Если пользователю не нравится какой-либо компилятор, он может написать свой собственный.

 

Наконец, над системными ПО расположены прикладные программы. Они пишутся пользователем для решения собственных проблем – обработки текста, электронных таблиц, технических расчетов или сохранения информации в БД.

 

Основные функции ОС:

 

Ос как расширенная машина

 

Архитектура (система команд, организация памяти, ввод-вывод данных и структура шин) большинства компьютеров на уровне машинного языка примитивна и неудобна для работы с программами, особенно в процессе ввода-вывода данных. ОС не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими элементами низкого уровня. С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию расширенной машины или виртуальной машины, в которой проще программировать и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер. ОС предоставляет нам ряд возможностей, которые могут использовать программы с помощью специальных команд, называемых системными вызовами.

 

Ос как диспетчер ресурсов

 

Работа ОС заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными программами, состязающимися за право их использовать.

 

Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве.

 

ОС сначала разрешает доступ, например, к процессору одной программе, затем, после того как она поработала достаточное время, другой программе, затем следующей и, в конце концов, опять первой. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс — это задача операционной системы.

 

Другой вид распределения — это пространственное мультиплексирование. Вместо поочередной работы каждый клиент получает часть ресурса. Обычно оперативная память разделяется между несколькими работающими программами, так что все они одновременно могут постоянно находиться в памяти. Конечно, при этом возникают проблемы справедливого распределения, защиты памяти и т. д., и для разрешения подобных вопросов существует ОС.

 

Другой ресурс, распределяемый пространственно, — это диск (жесткий). Распределение дискового пространства и отслеживание того, кто какие блоки диска использует, является типичной задачей управления ресурсами, которую также выполняет ОС.

 

Вывод: ОС – это программа контролирующая работу прикладных программ и системных приложений и исполняющая роль интерфейса между приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.