Операционные системы - читать онлайн

1.1 Назначение и функции операционных систем

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера с другой стороны [11]. Операционная система выполняет две группы функций:

• предоставляет пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины;

• повышает эффективность использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Пользователь, как правило, не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера, он видится ему как набор приложений, которые можно написать на одном из языков программирования. Операционная система предоставляет программисту ряд возможностей, которые могут использовать программы с помощью специальных команд, называемых системными вызовами. Поэтому программное приложение включает в себя множества системных вызовов, необходимых, например, для работы с файлами. Операционная система скрывает от программиста детали аппаратного обеспечения и предоставляет удобный интерфейс для исполнения системы операционной среды.

В тоже время операционная система выступает в качестве менеджера ресурсов. В соответствии с этим подходом работа операционной системы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными программами. Работа операционной системы имеет следующие особенности:

• функции операционной системы работают так же, как и остальное программное обеспечение – реализуются в виде отдельных программ или набора программ, исполняющихся процессов;

• операционная система должна передавать управление другими процессами и ожидать, когда процессор снова выделит ей время для выполнения своих обязанностей.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

• планирование ресурса – то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;

• удовлетворение запросов на ресурсы;

• 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 [11].

Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве. Когда ресурс распределяется во времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Сначала один из них получает доступ к использованию ресурса, потом другой и т. д. Например, несколько программ хотят обратиться к центральному процессору. В этой ситуации операционная система сначала разрешает доступ 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 (например, используя центральный процессор по очереди). Если предположить, что памяти достаточно для того, чтобы хранить несколько программ, эффективнее разместить в памяти сразу несколько программ, чем выделить всю память одной программе, особенно если ей нужна лишь небольшая часть имеющейся памяти. Конечно, при этом возникают проблемы справедливого распределения, защиты памяти и т. д., и для разрешения подобных вопросов существует операционная система [14].

1.2 История развития операционных систем

Обычно историю развития операционных систем связывают с историей развития компьютеров. Первая идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэббиджем (Charles Babbage) в середине девятнадцатого века. Им была разработана так называемая механическая «аналитическая машина», которая правда так и не заработала должным образом. Далее представлены поколения компьютеров и их связь с операционными системами.

Первое поколение 1945-1955

Компьютеры состояли из электронных ламп и коммутационных панелей. Наивысшее достижение – выпуск перфокарт. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. Операционная система отсутствует.

Второе поколение 1955-1965

Основа компьютеров транзисторы и системы пакетной обработки. Характеризовались колодами перфокарт и устройствами для записывания магнитных лент. В основном программировали на языках Фортран и Ассемблер для операционной системы Fortran Monitor System (FMS) и IBSYS.

Третье поколение 1965-1980

Период характеризуется появлением интегральных микросхем, а также многозадачностью или, как её называют по другому, мультипрограммированием. Фирма IBM выпускает различные серии машин, начиная с IBM/360. Для них была написана операционная система OS/360, которая примерно в 1000 раз превышала по величине FMS второго поколения. На этом этапе появляется промышленная реализация многозадачности – способа организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.

Другие известные операционные системы этого периода CTSS (совместимая система разделения времени) и MULTICS (мультиплексная информационная и вычислительная служба), которая была предназначена для обеспечения доступа сразу для сотни пользователей к одной машине. Дальнейшее развитие данной системы переросло в UNIX.

Четвёртое поколение 1980-наши дни

Этот период связан с появлением больших интегральных схем. В 1974 году компания Intel выпустила первый универсальный 8-разрядный процессор Intel 8080. В начале 80-х корпорация IBM разработала IBM PC – персональный компьютер. В тоже время появляется первая версия MS-DOS. Все разработанные до этого момента операционные системы поддерживали только текстовый режим общения с пользователем.

Первая попытка сделать дружественный графический интерфейс была реализована на Apple Macintosh. Под влиянием её успехов корпорация Microsoft выпускает графическую оболочку для MS-DOS – Windows. А с 1995 года вышла в свет Windows 95, которая стала автономной системой. В дальнейшем, на базе Windows 95 и другой системы Windows NT были разработаны существующие на настоящий момент операционные системы – Windows 2000, XP, Vista и другие.

1.3 Классификация операционных систем

Операционных систем очень много и не всем они известны. Далее рассмотрено 7 видов различных операционных систем по уровню от большого к малому.

Операционные системы мэйнфреймов

Мэйнфрейм – высокопроизводительный компьютер общего назначения со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для выполнения интенсивных вычислительных работ. Обычно это компьютеры размером с комнату и их нахождение – в крупных корпорациях. Обычно мэйнфреймы содержат тысячи дисков и терабайты оперативной памяти.

Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуются огромное количество операций ввода-вывода. Система должна отвечать на тысячи запросов в секунду. Примером является OS/390, произошедшая от операционной системы 3-го поколения OS/360.

Серверные операционные системы

Данные операционные системы работают на серверах, которые представляют из себя персональный компьютер, рабочую станцию или даже мэйнфрейм. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. К таким операционным системам относятся Unix, Linux, Windows 2003 Server и др.

Многопроцессорные операционные системы

Данные системы применяются на компьютерах с несколькими центральными процессорами. Для них требуются специальные операционные системы, но обычно они представляют собой модификации серверных операционных систем.

Операционные системы для персональных компьютеров

Главный критерий этих систем – удобный интерфейс для одного пользователя. Наиболее известные системы: серии Windows 98, 2000, XP, Vista; Macintosh, Linux.

Операционные системы реального времени

Главный параметр этих систем – время. В системах управления промышленным процессом необходимо четко синхронизировать время работы конвейера, различных промышленных роботов. Это жесткая система реального времени. Есть и гибкие системы реального времени – в ней допустимы пропуски сроков выполнения операции, например мультимедийные системы. К операционным системам реального времени относятся VxWorks и QNX.

Встроенные операционные системы

К ним относятся операционные системы «карманных компьютеров» PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник). Кроме того, встроенные системы работают на машинах, в телевизорах, мобильных телефонах. В этих операционных системах обычно присутствуют все характеристики операционных систем реального времени с ограничением памяти, мощности и т.п. Примеры систем – PalmOS, Windows CE.

Операционные системы для смарт-карт

Смарт-карта – устройство размером с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие системы налагаются жесткие ограничения по мощности и памяти. Некоторые управляют только одной операцией – электронным платежом к примеру. Отдельные смарт-карты включают в себя поддержку виртуальной машины Java.

1.4 Обзор аппаратного обеспечения компьютера

Операционная система тесно связана с оборудованием компьютера, на котором она должна работать. Аппаратное обеспечение влияет на набор команд операционной системы и управление его ресурсами. Концептуально простой компьютер можно представить в виде модели, показанной на рисунке 1 [14]. Такая структура использовалась на первых моделях IBM PC.

Рисунок 1 – Некоторые компоненты персонального компьютера

На рисунке центральный процессор, память, устройства ввода-вывода соединены системной шиной, по которой они обмениваются информацией.

Процессор

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU – Central Processing Unit). Он выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы процессора выглядит так: читается первая команда из памяти, декодируется для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считывает, декодирует последующие команды. Таким образом осуществляется выполнение программ.

Для каждого процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Поскольку доступ к памяти для получения команд или набор данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, то все процессоры содержат внутренние регистры для хранения переменных и промежуточных результатов. Поэтому набор инструкций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохранение слова из регистра в память. Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных, большинство процессоров имеет несколько специальных регистров, используемых для хранения переменных, а также специальных регистров, видимых для программистов.

При временном мультиплексировании процессора операционная система останавливает работающую программу для запуска другой. Каждый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все регистры процессора, чтобы позже, когда прерванная программа продолжит свою работу, их можно было восстановить.

Для повышения быстродействия CPU их разработчики отказались от простой модели, когда за один такт может быть считана, декодирована, выполнена только одна команда. Современные процессоры обладают возможностью выполнения нескольких команд одновременно.

Большинство CPU имеет два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию. В противоположность этому, пользователи работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества программ и делающем доступным лишь часть аппаратных средств.

Память

Второй основной составляющей любого компьютера является память. В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работу процессора не замедляло обращение к памяти достаточно большой и чрезвычайно дешевой). На сегодня не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям. Поэтому имеется другой подход.

Система памяти конструируется в виде иерархии слоев [13], которые иллюстрируются на рисунке 2. По мере продвижение по иерархии сверху вниз возрастают два параметра: время доступа, объём памяти.

Верхний слой состоит из внутренних регистров CPU, поэтому при доступе к ним не возникает задержек. Внутренние регистры хранят менее 1Кб информации. Программы могут управлять регистрами без вмешательства аппаратуры. Доступ к регистрам быстрее всего – несколько наносекунд.

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая аппаратурой. Наиболее часто используемые области кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема определяет, есть ли нужная строка в кэше; если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В современных машинах есть два или три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего. Размеры кэшпамяти от десятков килобайт до нескольких мегабайт. Время доступа – несколько больше, чем к регистрам.

Рисунок 2 – Иерархическая структура памяти

Далее следует оперативная память ОЗУ (RAM – Random Acces Memory или память с произвольным доступом) – главная рабочая область запоминающего устройства машины. Все запросы CPU, которые не могут быть выполнены кэшпамятью, поступают для обработки в ОЗУ. Объёмы от сотен мегабайт до нескольких гигабайт. Время доступа – десятки наносекунд.

Следующим идёт магнитный диск. Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и на два порядка больше по величине. У диска есть одна проблема – случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жестких дисков (HDD) является то, что диск представляет собой механическую конструкцию. Он состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся с определенными скоростями, например 7200 об/мин. Объёмы дисков сейчас стремительно растут, в продаже для большинства пользователей находятся диски с сотнями гигабайт. Время доступа – не менее 10 мкс.

Магнитная лента часто используется для создания резервных копий HDD или для хранения очень больших наборов данных. Сейчас, конечно редко, где можно встретить применение магнитных лент, но всё же они ещё не вышли из употребления. К уровню магнитной ленты также можно отнести CD, DVD диски и флэш-память. Время доступа измеряется секундами.

Кроме описанных видов, в компьютерах есть небольшое количество постоянной памяти с произвольным доступом. В отличие от RAM, она не теряет свое содержимое при выключении питания. Она называется ПЗУ или ROM. ПЗУ программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. Эта память достаточно быстра и дешева. Программы начальной загрузки компьютера, используемые при запуске, находятся в ПЗУ. Кроме этого, некоторые карты ввода-вывода содержат ПЗУ для управления низкоуровневыми устройствами. Вид памяти, называемый CMOS, является энергозависимым. CMOS используется для хранения текущей даты, времени и конфигурационных параметров, например, указания, с какого жесткого диска производить загрузку. Эта память потребляет энергию от установленного аккумулятора.

Устройства ввода-вывода

Операционная система взаимодействует с устройствами ввода-вывода как с ресурсами. Устройства ввода-вывода обычно состоят из контроллера и самого устройства.

Контроллер – набор микросхем на вставляемой в разъем плате, физически управляющее устройство. Он принимает команды операционной системы (например, указания прочитать данные с устройства) и выполняет их. Фактическое управление устройством очень сложно и требует высокого уровня детализации. Поэтому в функции контроллера входит представление простого интерфейса для операционной системы.

Следующей частью является само устройство. Устройства имеют достаточно простые интерфейсы, потому что их возможности невелики и их нужно привести к единому стандарту. Единый стандарт необходим, например чтобы каждый IDE контроллер диска (Integrated Drive Electronics) мог управлять любым IDE диском. IDE интерфейс является стандартным для дисков на компьютерах с процессором Pentium, а также на других компьютерах. Так как настоящий интерфейс устройства скрыт с помощью контроллера, то операционная система видит только интерфейс контроллера, который может сильно отличаться от интерфейса самого устройства.

Поскольку все виды контроллеров отличаются, то для них требуется разное программное обеспечение. Программа, которая общается с контроллером, – драйвер устройства. Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых операционных систем. Для использования драйвера его нужно установить в операционную систему так, чтобы он мог работать в режиме ядра. Есть три способа установки драйвера в ядро [14]:

• заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить операционную систему (так работает множество операционных систем Unix);

• создать запись во входящем в операционную систему файле, говорящую о том, что требуется драйвер и затем перезагрузить систему; во время начальной загрузки операционная система сама находит нужные драйверы и загружает их (так работает Windows);

• операционная система может принимать новые драйверы, не прерывая работы, и оперативно устанавливать их, не нуждаясь в перезагрузке. Этот способ становится все более и более распространенным. Такие устройства как шины USB, IEEE 1394 всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.

Ввод-вывод данных можно осуществлять тремя различными способами [14].

• Простейший способ: пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры, соответствующей драйверу, затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В этом время он выполняет короткий программный цикл, постоянно опрашивая устройство, с которым он работает. При завершении операций ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод – ожидание готовности (активное ожидание). Он имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство, пока оно не завершит работу.

• Драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывания по окончании ввода-вывода; после этого драйвер возвращает управление операционной системе, и она начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание о завершении операции. Процесс ввода-вывода, использующий прерывания, состоит из четырех шагов (Рисунок 3). На первом шаге драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройств. Затем контроллер запускает устройство. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний, используя определенные провода шины. Это шаг второй. На третьем шаге если контроллер прерываний готов к обработке прерываний, то он подает сигнал на определенный контакт CPU, информируя его таким образом. На четвертом шаге контроллер прерываний вставляет номер устройства на шину, чтобы центральный процессор мог узнать, какое устройство завершило работу.

• Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контролера прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access). DMA управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контролерами без вмешательства CPU. Процессор обращается к микросхеме DMA, сообщает ей число байтов для передачи, а также адрес устройства и памяти, направление передачи данных. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается обычным порядком.

Рисунок 3 – Действия, выполняемые при запуске устройства ввода-вывода и получении прерывания

Шины

Из-за роста быстродействия процессора и памяти, в систему добавились дополнительные шины как для ускорения общения устройств ввода-вывода, так и для пересылки данных между процессором и памятью. На рисунке 4 приведена схема вычислительной системы первых Pentium.

В этой системе 8 шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE, ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером должны находиться сведения обо всех этих шинах.

Центральный процессор по локальной шине передает данные микросхеме PCIмоста, – который в свою очередь обращается к памяти по выделенной шине. Система Pentium I имеет кэш первого уровня (L1) встроенный в процессор и намного больший кэш второго уровня (L2), подключенный к процессору отдельной шиной кэша. Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств к системе (CD-ROM, жесткий диск).

Рисунок 4 – Структура системы Pentium

Шина USB (Universal Serial Bus) предназначена для присоединения к компьютеру дополнительных устройств ввода-вывода, таких как клавиатура, мышь, принтер, флэш-память и т.д. С течением времени появляются и добавляются новые более быстрые шины.

1.5 Архитектура операционной системы

1.5.1 Классическая архитектура

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

• ядро – модули, выполняющие основные функции операционной системы;

• модули, выполняющие вспомогательные функции операционной системы.

Модули ядра выполняют такие базовые функции операционной системы, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него она является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы операционной системы все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Некоторые компоненты операционной системы оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной операционной системой формата, поэтому очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями.

Вспомогательные модули операционной системы обычно подразделяются на следующие группы:

• утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;

• системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

• программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры;

• библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций вводавывода и т. д.

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу системы и, например, разрушить часть ее кодов. Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode). На рисунке 5 представлено такое разделение режимов.

Рисунок 5 – Архитектура операционной системы с ядром в привилегированном режиме

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами вводавывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

Уровней привилегий может быть несколько – 2, 3, 4 и т.д. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых операционной системой, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.

Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – переключение из привилегированного режима в пользовательский (Рисунок 6). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Вычислительную систему, работающую под управлением операционной системы на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный – ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс.

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра.

Рисунок 6 – Смена режимов при выполнении системного вызова к привилегированному ядру

Ядро может состоять из следующих слоев.

• Средства аппаратной поддержки операционной системы. К операционной системе относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства её аппаратной поддержки, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т.п.