ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ Тема 1 1 Преподаватель

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ Тема 1. 1. Преподаватель: Шершова Л. Н.

Тема 1. 1. Понятие, основные функции, классификация операционных систем Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем. 2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС). 3. Классификация ОС. 1.

Тема 1. 1. Понятие, основные функции, классификация операционных систем

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Одной из основных задач технических дисциплин является подбор средств и методов механизации и автоматизации работ. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и для ее реализации используются особые устройства. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, который предназначен для обслуживания одного рабочего участка, называется вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. Он предназначен для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи данных. Состав вычислительной системы называется конфигурацией.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Конфигурация (состав) вычислительной системы Аппаратная конфигурация (обеспечение) Hard. Ware Внутренние устройства Внешние (периферийные) устройства Программная конфигурация (обеспечение) – ПО Soft. Ware Прикладное ПО Служебное ПО Системное ПО Базовое ПО Отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Компьютерная программа – последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины. Программа – один из компонентов программного обеспечения. В зависимости от контекста, рассматриваемый термин может относиться также и к исходным текстам программы. Последовательность команд для создания и запуска виртуальной машины.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программ ной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ — Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются ( «прошиваются» ) в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. BIOS (англ. basic input/output system — «базовая система вводавывода» ) — реализованная в виде микропрограмм, часть системного программного обеспечения, которая предназначается для предоставления операционной системе API доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Системный уровень – переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции. O средства обеспечения пользовательского интерфейса – благодаря им компьютер получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. O драйверы – расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным подключенным устройством, обучая ее новому протоколу обмена данными и т. д. Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы – непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой. .

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций. В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: O интеграция с операционной системой - служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. O автономное функционирование – служебные программы слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

1. Программа. Классификация программного обеспечения вычислительных систем Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Операционная система представляет собой комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Структура операционной системы O Ядро – переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов» , понятный компьютеру. O Драйверы – программы, управляющие устройствами. O Интерфейс – оболочка, с помощью которой пользователь общается с компьютером.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Структура операционной системы В состав операционной системы входит специальная программа — командный процессор (интерпретатор), которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какойлибо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т. д. Операционная система должна эти команды выполнить.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Структура операционной системы Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс. В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды посредством мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Основные функции операционной системы: O O O O Обеспечение интерфейса. Обеспечение автоматического самозапуска. Организация файловой системы. Обслуживание файловой структуры. Прием указаний от пользователя. Управление установкой, исполнением и удалением приложений. Взаимодействие с аппаратным обеспечением. Обслуживание компьютера. Дополнительные функции. Идентификация программ и данных. Прием и исполнение запросов от программ. Обеспечение операций ввода-вывода. Обеспечение работы СУФ (систем управления файлами) и СУБД. Обеспечение взаимодействия связанных компьютеров. Аутентификация и идентификация пользователей. Предоставление услуг на случай сбоя системы.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Основные функции операционной системы: O O Функцией ОС как менеджера ресурсов является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы согласно выбранным критериям эффективности. ОС как виртуальная (расширенная) машина предоставляет некий интерфейс, избавляющий пользователя от непосредственной работы с аппаратурой и организации вычислительного процесса (в частности, распределения ресурсов и их защиты). Можно говорить о двух уровнях (или видах) интерфейсов: пользовательском, предназначенном для работы с готовыми приложениями; · программном, или интерфейсе прикладного программирования, представляющем собой средства для обращения к возможностям ОС при создании собственных приложений (фактически это системные функции, доступные разработчику).

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Основные функции операционной системы: Кроме ядра, командного процессора, драйверов и интерфейса к основным составляющим ОС относят также устройство ввода-вывода и файловую систему. O Подсистема ввода-вывода обеспечивает выполнение задач по вводу-выводу данных с внешними устройствами. Наличие этих библиотек в ОС позволяет не встраивать их средствами систем программирования в каждую из разрабатываемых про грамм. Системы программирования только генерируют обращения к системному коду ввода-вывода и выполняют подготовку данных. Подсистема ВВ является одной из самых сложных в силу большого числа различных устройств ввода-вывода. При этом недостаточно обеспечить эффективное управление, требуется еще и создать удобный и эффективный виртуальный ин терфейс, позволяющий прикладным программистам абстрагироваться от специфики устройств. С другой стороны, требуется обеспечение доступа к устройствам ВВ множества параллельно выполняющихся задач. Некоторые из программ ВВ являются независимыми от устройств, и их можно применять ко многим устройствам ВВ, другое ПО, в т. ч. драйверы устройств, предназначены для конкретных устройств ВВ.

2. Понятие, назначение, структура, основные функции операционной системы (ОС) Основные функции операционной системы: O Файл – набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Файловая система предоставляет пользователю возможность иметь дело с логическим уровнем структур данных и операций. Файловая система определяет способ организации данных на диске или ином носите информации. Все современные ОС имеют соответствующие системы управления файлами. Она является основной в большинстве современных ОС. Благодаря СУФ все системные обрабатывающие программы связываются по данным. СУФ решает проблему централизованного распределения дискового пространства и управления данными. СУФ предоставляют пользователям широкие сервисные возможности по работе с файлами и каталогами, в тоже время, скрывая от пользователя особенности дисков и других устройств ВВ.

3. Классификация операционных систем (ОС) Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами. Ниже приведем классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.

3. Классификация операционных систем (ОС) Алгоритмы управления ресурсами. Характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на: многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие многонитевую обработку, на многопроцессорные и однопроцессорные системы. O Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса: однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows). Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем. Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

3. Классификация операционных систем (ОС) Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на: однопользовательские (MS-DOS, Windows 3. x, ранние версии OS/2); многопользовательские (UNIX, Windows). Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной. O Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями). O Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Сейчас поддержка этой функции является обязательной. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Аппаратные платформы. На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, миникомпьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные.

3. Классификация операционных систем (ОС) Реализация сетевых возможностей. Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

3. Классификация операционных систем (ОС) Области использования Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности: системы пакетной обработки (например, OC EC), системы разделения времени (UNIX, VMS), системы реального времени (QNX, RT/11). O Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины.

3. Классификация операционных систем (ОС) Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т. п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ. Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Особенности методов построения. При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу. К таким базовым концепциям относятся: Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. O Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. O Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

3. Классификация операционных систем (ОС) Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов. O Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Единой классификации операционных систем в настоящее время не существует. В зависимости от разных критериев все OС можно разделить на классы.

3. Классификация операционных систем (ОС) O Client / Server (Клиент / Сервер); O бесплатные / платные (UNIX / WINDOWS); O версия оригинальная / локализованная; O интерфейс Text Mode / Graphic Mode O архитектура 16 -bit / 32 -bit / 64 -bit/ 86 -bit O объем большой / маленький; O версия сетевая / псевдо-сетевая / локальная; O память процесса с защитой / без защиты; O загрузка программы экономная / неэкономная; O однозадачные / многозадачные; O однопользовательские / многопользовательские; O стабильная / нестабильная; O virus friendly / no virus friendly.

3. Классификация операционных систем (ОС) Оригинальная / Локализованная. Это язык OС (английский, русский, etc. ). Грамотные пользователи всегда ставят оригинальную (английскую) версию. O Интерфейс. Бывают OС с командным интерпретатором (текстовый интерфейс, Text Mode) или OС с графическим интерфейсом (Graphic Mode, оконный менеджер). а) Если операционная система с Text Mode, то после входа пользователя в систему для него запускается один из командных интерпретаторов. Обычно в системе поддерживается несколько командных интерпретаторов с похожими, но различающимися своими возможностями командными языками. Часто их называют консолями. Общее название для любых консолей-интерпретаторов - shell (оболочка), поскольку любой интерпретатор представляет внешнее окружение ядра системы. б) Графический интерфейс - это окошки, картинки, поддержка мыши и т. п. Его также называют Presentation Manager (PM). В любой современной OС обычно есть несколько Graphic Mode. Например, в Linux их больше десятка, а в любой версии Windows оконный менеджер один. O

3. Классификация операционных систем (ОС) Архитектура. Бывают 16 -разрядные OС (16 -bit), 32 -разрядная OС(32 бита, 32 -bit), 64 -разрядная OС (64 -bit). Зависит от того, сколько одновременно OС может обрабатывать единиц информации. O virus friendly / no virus friendly Есть OС (большинство), в которых не только активация, но и само существование вируса затруднено (напр. UNIX), а есть отдельные OС «дружественные по отношению к вирусам» (напр. Windows). O

Контрольные вопросы: O Что такое вычислительная система? O В чем вы видите связь между программным обеспечением и O O O O аппаратным? Назовите четыре основных уровня программного обеспечения вычислительных систем. К какому классу относятся программы автоматизации настройки, отладки и проверки компьютерных систем? К какому классу относятся операционные системы (ОС)? Дайте определение ОС. Назовите основные функции ОС. Объясните суть виртуальной машины. Какие задачи решает ОС при управлении ресурсами? Приведите классификацию ОС.

Задание 1 Определите к какой операционной системе относится каждый из логотипов и охарактеризуйте несколькими фразами эту ОС. 2. Составьте схему классификации операционных систем. 3. Подготовьте сообщение и презентацию по теме «Поколения ОС» . Для выполнения задания воспользуйтесь рекомендуемой литературой и ресурсами Интернет. 1. 2 1 3 4 5 6 7 8 9

Рекомендуемая литература: O Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. – СПб. : O O O БХВ-Петербург, 2012. – 624 с. Попов И. И. , Партыка Т. Л. Операционные системы, среды и оболочки. – М. : Форум, 2012. – 560 с. Синицын С. В. , Батаев А. В. , Налютин Н. Ю. Операционные системы. – М. : Академия, 2012. – 304 с. Спиридонов Э. Практикум по операционным системам. – М. : Либроком, 2010. – 328 с. Спиридонов Э. , Клыков М. Операционные системы. – М. : Либроком, 2010. – 352 с. Учебные и информационные ресурсы интернет.