Раздел 4. Операционные системы

Эволюция операционных систем

История ОС: мониторы, пакетные ОС, ОС с разделением времени, однозадачные ОС, многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом. Классификация ОС: по назначению, по характеру взаимодействия с пользователем, по числу одновременно выполняемых задач, по числу пользователей, по аппаратурной основе. Критерии оценки ОС: надежность, эффективность, удобство, масштабируемость, способность к развитию, мобильность. Операционная система, операционная среда, операционная оболочка. Основные функции и структура ОС. Управление устройствами. Управление данными. Управление процессами. Управление памятью. Дополнительные функции ОС. Организация интерфейса с пользователем. Защита данных от несанкционированного доступа. Ведение статистики. ОС разделенные на подсистемы, соответствующие перечисленным выше группам функций. Структурное деление, связанное с понятием ядра системы. Особенности современного этапа развития ОС. Основные понятия и концепции операционных систем: системные вызовы; режимы работы процессора; программное прерывание; аппаратное прерывание; синхронные/асинхронные события; исключительная ситуация (exception); исправимые и неисправимые исключительные ситуации.

Архитектуры ОС

Место ОС в программном обеспечении компьютера: системные вызовы, прерывания, исключительные ситуации. Ядро и вспомогательные модули ОС. Композиция и декомпозиция. Многослойная структура ОС. Иерархия слоев ОС: нижний слой – аппаратура, промежуточный – ядро, верхний – утилиты, обрабатывающие программы и приложения. Многослойная структура ядра. Средства аппаратной поддержки ОС. Машинно-зависимые компоненты ОС. Базовые механизмы ядра. Менеджеры ресурсов. Менеджер файловой системы. Интерфейс системных вызовов. Аппаратная зависимость ОС. Средства поддержки привилегированного режима. Средства трансляции адресов. Средства переключения процессов. Система прерываний. Системный таймер. Средства защиты областей памяти. Машинно-зависимые компоненты ОС. Переносимость операционной системы. Микроядерная архитектура. Идеология клиент-сервер. Идеальная микроядерная ОС, достоинства и недостатки. Реальные операционные системы c точки зрения архитектуры.

Процессы

Понятие процесса. Состояние процесса. Системный таймер. Операции над процессами. Блок управления процессами. Одноразовые операции. Многоразовые операции. Запуск процесса. Приостановка процесса. Блокирование процесса. Разблокирование процесса. Переключение контекста. Понятия процесс, задача, поток, нить. Динамические, последовательные и параллельные структуры программ (процессов). Организация мультипрограммирования.

Планирование процессов

Понятие планирования процесса. Критерии планирования: эффективность, сокращение полного времени выполнения (turnaround time), сокращение времени ожидания (waiting time), сокращение времени отклика (response time). Параметры планирования. Краткосрочное, среднесрочное и долгосрочное планирование процессов (потоков). Статические параметры процессов. Динамические параметры процессов. Вытесняющее и невытесняющее планирование. Алгоритмы планирования. Алгоритм FCFS. Алгоритм Round Robin (RR). Алгоритм Shortest-Job-First (SJF). Гарантированное планирование. Приоритетное планирование. Многоуровневые очереди (Multilevel Queue). Многоуровневые очереди с обратной связью (Multilevel Feedback Queue).

Упорядочение процессов

Взаимодействие процессов. Взаимодействующие процессы. Три категории средств обмена (сигнальные, канальные и разделяемая память). Логическая организация передачи информации. Связи для приема и передачи информации процессом. Линии связи. Нити процесса. Алгоритмы синхронизации. Семафоры. Активности. Критическая секция. Требования, предъявляемые к алгоритмам организации взаимодействия процессов. Тупики. Условия возникновения тупиков. Основные направления борьбы с тупиками.

Организация памяти компьютера

Физическая организация памяти компьютера. Принцип локальности. Логическая память. Связывание адресов. Функции системы управления памятью. Простейшие схемы управления памятью. Схема с фиксированными разделами. Один процесс в памяти. Оверлейная структура. Динамическое распределение. Свопинг. Схема с переменными разделами. Страничная память. Сегментная и сегментно-страничная организация памяти. Виртуальная память. Сегментно-страничная организации ВП. Структура таблицы страниц. Ассоциативная память.

Файлы и файловые системы

Файловая система. Основная идея использования внешней памяти. Общие сведения о файлах. Имена файлов. Типы файлов. Атрибуты файлов. Организация файлов и доступ к ним. Операции над файлами. Директории. Логическая структура файлового архива. Операции над директориями. Защита файлов. Обеспечение сохранности программных систем. Общая структура файловой системы. Управление внешней памятью. Методы выделения дискового пространства. Выделение непрерывной последовательностью блоков. Связный список. Таблица отображения файлов. Индексные узлы.

Операционные системы Windows, UNIX, Linux

Оболочка командной строки command.com/cmd.exe. Сервер сценариев. Поддержка языков сценариев. Командная оболочка. Оболочка командной строки Windows. Запуск оболочки. Внутренние и внешние команды. Структура команд. Структура командной строки и принцип работы с ней. Перенаправление ввода/вывода. Примеры. Команды MORE и SORT. Состав базовых команд ОС UNIX (Linux). Встроенные и внешние команды. Аргументы команд, перенаправление вввода-вывода. Языки пакетной обработки Shell и Cshell - оболочки системы. Семейство операционных систем UNIX. Общая характеристика семейства OC UNIX, особенности архитектуры. Основные понятия системы UNIX. Функционирование системы UNIX. Межпроцессные коммуникации в UNIX. Операционная система Linux.