Системное программное обеспечение

Операционные системы

В литературе можно найти различные определения операционной системы (ОС), в которых делается акцент  на те или иные ее функции. Среди них, например, такие:  

ОС – это программа, контролирующая работу системных и прикладных программ и исполняющая роль интерфейса между программным и аппаратным обеспечением компьютера.

ОС – это часть ПО, осуществляющая планирование и организацию процесса обработки данных, ввод-вывод, управление данными, распределение ресурсов, подготовку и отладку программ и другие вспомогательные операции.

ОС – это система программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности вычислительной системы (ВС) за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователю определенного набора услуг. ОС включает набор средств проектирования, отладки и выполнения программ, а также управления работой всей ВС.

ОС – это комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а также предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов ВС, организации надежных вычислений и удобной работы с ней.

Из рис.2 видно, что, с одной стороны, она опирается на базовое ПО, с другой стороны, она сама является основой для ПО более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями ОС принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов взаимодействия, которые и фигурируют в приведенных выше определениях, а именно:

- взаимодействие между пользователем с одной стороны и программным и аппаратным обеспечением ЭВМ с другой стороны, называемое интерфейсом пользователя;

- взаимодействие между программным и аппаратным обеспечением, называемое аппаратно-программным интерфейсом;

- взаимодействие между программным обеспечением разного уровня, называемое программным интерфейсом.

ОС появились и развивались в процессе совершенствования аппаратного обеспечения компьютеров, поэтому эти события исторически тесно связаны. Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества различных ОС, из которых далеко не все широко известны. Для одной и той же аппаратной платформы существует несколько ОС. Различия между ними рассматриваются в двух категориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

Режимы работы ЭВМ

Все известные режимы работы компьютеров можно свести в две группы: однопрограммные и мультипрограммные. В их число входят: однопрограммный, однопрограммный пакетный, мультипрограммный пакетный, реального времени, разделения времени, многозадачный.

Однопрограммный (однозадачный) режим. В каждый момент времени компьютер используется для решения только одной прикладной задачи по соответствующей программе. При этом часто простаивает процессор во время выполнения операций ввода-вывода или работы пользователя по подготовке следующей программы. Подобный режим характеризуется крайне низкой эффективностью использования вычислительных средств: при увеличении быстродействия процессора в 50 раз за счет неизменного низкого быстродействия устройств вывода общая производительность увеличится примерно в 2 раза, а процент загрузки процессора уменьшится.

Однопрограммный пакетный режим обеспечивает автоматический переход от пограммы к программе. Его особенности:

  образуется пакет из отдельных программ и данных, после чего формируется задание на его обработку с использованием специализированного формализованного языка управления заданиями;

  есть управляющая программа (монитор), которая последовательно

запускает программы пакета на решение, вводя исходные данные и выводя результаты или передавая их следующей программе;

  с момента завершения одного пакета до образования следующего процессор компьютера простаивает.

Общим недостатком однопрограммных режимов является простой процессора при выполнении операций ввода-вывода (отсутствие данных, ожидание ввода пользователя и т.п.). Естественным выходом из положения, ведущим к повышению эффективности использования процессора, является его переключение в это время на выполнение другой задачи, готовой к решению. Так появилось мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором в оперативной памяти (ОП) компьютера одновременно находятся несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре и резко увеличивающих процент его загрузки

Мультипрограммный пакетный режим отличается тем, что в ОП находятся несколько равноприоритетных пользовательских программ в виде пакетных заданий, готовых к решению (обслуживанию процессором и ожидающих его освобождения). Из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь – множество одновременно выполняемых задач. Время работы процессора распределяется между этими программами так, что они образуют очередь к процессору и поочередно решаются на нем. При этом каждая активная (выполняющаяся) программа «монополизирует» процессор, освобождая его, только когда он станет ей совсем или временно не нужен. Параллельно с работой процессора в системе может происходить ввод-вывод – обмен с одним или несколькими устройствами ввода-вывода (УВВ).

Режим реального времени (РВ) характеризуется тем, что компьютер средствами ОС осуществляет контроль и управление внешними объектами в темпе поступления данных от каждого объекта управления. Природа объекта управления может накладывать определенные временные ограничения на обработку таких данных (управление станком или спутником, плавкой стали, стрельбой по нескольким движущимся целям, контроль критического состояния больного). Во всех случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена определенная программа управления объектом, иначе может произойти нежелательное событие.

В режиме РВ требуются:

· мгновенный (без задержек) запуск задачи на решение. Значит, место расположения файла задачи должно быть известно заранее, а все необходимые ресурсы выделены ей или хотя бы свободны;

· быстрая отработка важной задачи в соответствии с ее специально установленным высоким приоритетом;

· гарантии того, что задача будет отработана до требуемого срока.

Критерием эффективности здесь является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (и управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство – реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого объекта: для контроллера робота – менее 1 мс, при моделировании полета – 40 мс. В системах РВ мультипрограммная смесь представляет фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям от объекта или по плановому расписанию.

Режим разделения времени (РДВ) реализуется следующим образом: в схему по мультиплексированию (разделению) процессора среди готовых к исполнению программ вводится жесткое ограничение: каждой программе, готовой к исполнению, планируется для исполнения на процессоре фиксированный, заранее известный интервал времени – квант (интервал мультиплексирования), например, Δtm=0,2c. Если исполняемая программа не успела выполниться к моменту окончания кванта, то ее выполнение принудительно прерывается и она переводится в состояние готовности (что равносильно помещению ее в конец очереди готовых к исполнению программ). Из начала этой очереди извлекается другая программа, получает тот же квант Δtm и т.д.

Такое циклическое мультиплексирование процессора, основанное на схеме прерываний программ, гарантирует «справедливость» обслуживания пользователей без монополизации процессора.

Следует отметить, что пропускная способность процессора в режиме РДВ обычно оказывается ниже, чем в мультипрограммном пакетном. Ее снижают более частые переключения процессора с задачи на задачу, а также то, что на выполнение принимается любая задача, а не та, которая выполняется параллельно с работой УВВ (обменом). Поэтому критерием эффективности здесь часто является удобство и эффективность работы пользователя, а не пропускная способность.

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения в аппаратуру компьютера целого ряда важных изменений.

При разделении ресурсов компьютера между программами необходимо обеспечить быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надежно защитить коды и данные одной программы от несанкционированного их изменения другой программой. Для этого в процессорах появились:

· привилегированный и пользовательский режимы работы;

· специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую;

· средства защиты областей памяти;

· развитая система прерываний.

В привилегированном режиме работают программные модули ОС, а процессор может выполнять все команды, в том числе те, которые обеспечивают распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам же, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора недоступны. Таким образом, только ОС может управлять аппаратными средствами и играть роль монитора и арбитра для пользовательских программ, которые выполняются в пользовательском режиме.

Система прерываний позволяет синхронизировать работу различных устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, например, дисковые накопители, принтеры.

Многозадачный режим – это одновременное, параллельное существование и выполнение нескольких задач (заданий, процессов, потоков) с развитыми средствами переключения с одной задачи на другую. Реализованы различные варианты многозадачного режима, основанные на режимах РДВ и мультипрограммном пакетном:

· с вытесняющей многозадачностью, основанной на квантовании времени;

· с кооперативной многозадачностью (совместной, не вытесняющей);

· многопоточный режим (с внутренней вытесняющей многозадачностью).

Таким образом, для поддержки различных форм и режимов организации вычислительного процесса на компьютерах требуются различные ОС. Если же классифицировать ОС более «укрупненно», то их можно разделить по типу аппаратного обеспечения, на котором ОС работают.

Серверные ОС одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программно-аппаратные ресурсы сервера. Серверы также предоставляют возможность работы с принтерами, файлами или сетью Интернет. Unix и специальная серверная версия ОС Windows являются примерами серверных ОС. Теперь для этой цели стала использоваться и ОС Linux.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются и повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются Windows 7/8/10, Apple MacOS и Linux.

Другим видом ОС являются системы реального времени. Главным параметром таких систем является время. Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Системы VxWorks и QNX являются ОС реального времени.

Встроенные ОС используются в смартфонах, карманных компьютерах и бытовой технике. Примерами таких ОС являются Google Andrоid и Apple iOS.

Основными функциями ОС являются:

1) распределение ресурсов ЭВМ между процессами – выделение процессам ресурсов ЭВМ в зависимости от их приоритета;

2) поддержание файловой системы – организация хранения и поиска программ и данных на внешних носителях;

3) обеспечение интерфейса пользователя – прием и выполнение команд пользователя.