1) Определение операционной системы и ее функции. (виртуальная машина, управление ресурсами, задачи управления ресурсами)

1. Назначение и функции операционных систем

1.1.Основные понятия и определения

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который обеспечивает управление аппаратурой компьютера и прикладными программами, а также действует как интерфейс между аппаратурой, прикладными программами и пользователем.

В соответствии с данным определением ОС реализует три важные функции:

1. Предоставляет пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера виртуальную машину, с которой удобней работать и которую легче программировать.

2. Повышает эффективность использования аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторыми критериями.

3. Обеспечивает эффективное управление прикладными программами, при их выполнении.

Представление ОС как некоторой виртуальной машины дает возможность пользователю и прикладному программисту обойтись без досконального знания аппаратуры компьютера и системы команд процессора. ОС предоставляет пользователю и прикладному программисту высокоуровневые функции для работы с дисками, физической памятью, таймерами и другими периферийными устройствами.

В результате реальный компьютер, способный выполнять только набор элементарных действий, определяемый его системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор гораздо более мощных функций, с которой легче работать и программисту и пользователю.

К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, файлы данных, диски, принтеры, другие периферийные устройства и сетевые устройства, а также программные ресурсы ОС.

Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто определяется как выполняемая программная единица. Программа – это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс – это динамический объект, который возникает в операционной системе после запуска задачи на выполнение, то есть является единицей вычислительной работы.

Во многих современных ОС для обозначения минимальной единицы работы используют термин поток, при этом суть термина процесс изменяется. При этом процесс рассматривается как единица работы, которая потребляет все ресурсы, кроме времени процессора. Время процессора распределяется между другими единицами – потоками, которые и получили свое название как последовательность (поток) выполнения команд.

1.2.Управление ресурсами

Методология распределения ресурсов зависит от аппаратной реализации компьютера и от типа ОС. Для однозадачной ОС распределение ресурсов сводится к разделению их между ОС и задачей пользователя. Такая стратегия легко реализуется, но приводит к низкой загруженности ресурсов компьютера. При реализации многозадачных ОС загруженность ресурсов увеличивается, но возникают серьезные проблемы с их распределением. Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важна пропускная способность вычислительной системы, в других – время ее реакции.

Управление ресурсами включает решение следующих задач:

• Планирование ресурса – то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве следует выделить ресурс (если ресурс выделяется частями);

• Удовлетворение запросов на ресурс;

• Отслеживание состояния и учет использования ресурса – то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

• Разрешение конфликтов между процессами при доступе к ресурсу.

Для решения данных задач различные ОС используют различные алгоритмы, которые и определяют производительность ОС, области ее применения и даже пользовательский интерфейс. Например, алгоритм управления процессором в значительной мере определяет тип ОС.

В современных компьютерах распределение процессорного времени построено на двух принципах организации мультизадачности – кооперативной и вытесняющей.

При кооперативной мультизадачности ОС не выполняет полноценный контроль за распределением ресурсов между отдельными процессами. Передача управления ОС для переключения процессов и перераспределения ресурсов происходит в зависимости от хода исполнения текущего процесса. Моментом передачи управления может быть системный вызов (обращение к функциям ОС) или системное событие (например, окончание ввода-вывода на внешнее устройство). Фоновый процесс получает управление только тогда, когда простаивают процессы с более высоким приоритетом. (Пример многозадачной кооперативной ОС – MS-Windows 3.1).

При вытесняющей мультизадачности каждый процесс получает фиксированный квант времени процессора. По истечении одного кванта ОС вновь получает управление, чтобы переключить другой процесс. Передача управления операционной системе происходит и при обращении активного процесса к ОС или при возникновении системного события, даже если квант времени процесса не закончился. (Примеры реализации вытесняющей многозадачности - Windows NT). В Windows 95 для 32-разрядных приложений и приложений MS-DOS реализована вытесняющая мультизадачность, для 16-разрядных приложений – кооперативная мультизадачность.

Память является таким же важным ресурсом, как и процессор. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку на физические адреса, а также защиту области памяти каждого процесса.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. В некоторых системах распределение памяти выполняется сегментами переменной длины, а в других – страницами фиксированного размера. Эффективное расположение задач в ОП и их подкачки с внешней памяти ОС реализуется при помощи специальных стратегий организации памяти, которые, как правило, требуют аппаратной поддержки. К таким методам относится, например, страничный принцип организации адресного пространства в микропроцессорах Intel 80386 и последующих модификациях.

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных ОС является так называемая виртуальная память. Наличие в ОС механизма виртуальной памяти позволяет программисту писать программу так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, часто превышающего объем имеющейся физической памяти. В действительности, все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости частями (сегментами или страницами) отображаются в физическую память.

Защита памяти – это способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти другой задачи.

Таким образом, функциями ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при их завершении; защита памяти; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск и подкачка их в оперативную память, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

2) Классификация операционных систем. (многозадачность, число пользователей, тип многозадачности, многонитиевая обработка, особенности управления памятью, критерии эффективности многозадачных ОС, сетевые функции, аппаратные средства, архитектура)

В зависимости от используемого алгоритма ОС можно разделить по следующим классификационным признакам:

• Многозадачность:

- однозначные (MS DOS);

- многозадачные (OCEC) (OS/2, UNIX, Windows 95);

Однозадачные ОС выполняют функцию предоставления центральной машины.

• По числу пользователей

- однопользовательские (MS DOS);

- многопользовательские (UNIX, WinNT);

Главное отличие многопользовательских систем – защита информации от других пользователей.

• По типу многозадачности:

- не вытесняющая многозадачность (Windows 3,х);

- вытесняющая многозадачность (Windows 95, WinNT);

- многонитиевая обработка (Windows 95);

Нити – единицы исполнения, которые могут взаимодействовать через общую разделяющую память.

• Особенности управления памятью, файлами, устройствами ввода/вывода;

• Методы реализации сетевых функций (каким образом реализуется справочная информации о сетевых ресурсах, каким образом реализуется адресация, как обеспечивается прозрачность доступа);

• По аппаратным средствам:

- микрокомпьютеры;

- миникомпьютеры;

- мэйнфреймы;

- кластерные системы;

• Мобильные OC – UNIX;

• Для многозадачных ОС:

– системы пакетной обработки (OCEC);

Главный критерий эффективности систем пакетной обработки является обеспечение максимальной пропускной способности системы, т.е. максимально полная загрузка вычисления аппарата. В начале работы системы формируется пакет заданий, а каждое задание содержит требования к системе ресурсов (вычисление и ввод/вывод). Из этого пакета формируется мультипрограммная смесь (множество одновременных выполняемых задач). Выгода в том, что если в мультипрограммной смеси одновременно присутствуют задача с индексным вводом/выводом и вычисляющая задача, то достигается наиболее полная загрузка системы. Выбор нового задания для выполнения, от текущей внутренней ситуации, складывается в системе, т. о. невозможно гарантировать выполнение некоторого задания в течение определенного интервала времени. Переключение на другую задачу происходит только в случае, если задача сама отказывается от процессора и выполнения ввода/вывода.

– системы разделения времени:

Устраняет описанный недостаток пакетных систем. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляет терминал, с которым он может вести диалог. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, т.к. выполняется каждая запущенная задача, а не та, которая выдана системе.

– системы реального времени;

Применяется для управления техническими объектами. В них существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена программа управления объектом. Время называется временим реакции, а свойство – реактивностью. QNX – вариант UNIX, который предельно реагирует.

ОС могут совмещать в себе свойства систем различного типа.

Существуют следующие особенности структуры организации ОС:

– способы построения ядра;

– использование ООП;

– наличие нескольких прикладных сред;

– распределенных характер;