ОС автономного компьютера — комплекс программ, управляющих устройствами вычислительной системы, прикладными программами, вычислительными процессами, распределением ресурсов между вычислительными процессами и организацией надёжных вычислений. Основные семейства ОС: UNIX, Windows, QNX, MS-DOS, NetWare, Mac OS.
ОС как виртуальная машина. Реальная машина, способная выполнять небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор гораздо более мощных функций, например, работа с дисковым накопителем через файловый интерфейс, а не напрямую или управление физической памятью, таймерами, принтерами. Таким образом, виртуальная машина, созданная ОС, позволяет легче работать с аппаратной частью компьютера или сетью.
Функции операционной системы автономного компьютера, называемые подсистемами, состоят в управлении процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.
Основные задачи ОС:
• увеличение пропускной способности ЭВМ (за счет пакетной обработки и эффективного распределения ресурсов);
• уменьшение времени реакции системы на запросы пользователей и получения пользователями ответов от ЭВМ;
• упрощение работы разработчиков программных средств и сотрудников обслуживающего персонала ЭВМ (за счет предоставления им большого количества языков программирования и сервисных программ).
Функциональные компоненты ОС автономного компьютера:
- программы управления вводом/выводом;
- программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;
- процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные операционной системе.
Таким образом, современные автономные ОС – ОС, использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным), многопользовательские (с разделением полномочий), многозадачные (с разделением времени).
Сетевые ОС.
При организации сетевой работы операционная система играет роль интерфейса, экранирующего от пользователя все детали низкоуровневых программно-аппаратных средств сети. Например, вместо числовых адресов компьютеров сети, таких как МАС-адрес и IP-адрес, операционная система компьютерной сети позволяет оперировать удобными для запоминания символьными именами (DNS).
Представители сетевых ОС: Windows NT, NetWare, Solaris, HP-UX.
В сети могут использоваться одинаковые или разные ОС, они должны иметь согласованные протоколы.
Основные функциональные компоненты сетевой ОС:
• средства управления локальными ресурсами компьютера реализуют все функции ОС автономного компьютера;
• сетевые средства, включающие:
- средства предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование — серверная часть ОС;
- средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам — клиентская часть ОС;
- транспортные средства ОС, организующие передачу сообщений между компьютерами сети.
Серверные ОС.
Назначение серверной операционной системы - это управление приложениями, обслуживающими всех пользователей корпоративной сети, таких как СУБД, средства управления сетями и анализа событий в сети, службы каталогов, средства обмена сообщениями и групповой работы, Web-серверы, почтовые серверы, корпоративные брандмауэры, серверы приложений, серверные части бизнес-приложений.
Основные серверные ОС:
1. Windows NT, Windows 2000, Windows Server 2003, Windows Server 2008 R2;
2. UNIX -системы: Solaris, HP-UX, AIX.
3. Linux и FreeBSD.
4. NetWare (Novell).
5. Mac OS X (Apple).
Мультипрограммирование.
Мультипрограммирование, или многозадачность, — это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько программ. Эти программы совместно используют не только процессор, но и другие ресурсы компьютера: оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода, данные. R ритериями эффективности вычислительных систем являются:
• пропускная способность — количество задач, выполняемых вычислительной системой в единицу времени;
• удобство работы пользователей, заключающееся, в том, что они имеют возможность интерактивно работать одновременно с несколькими приложениями на одной машине;
• реактивность системы — способность системы выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением результата.
В зависимости от выбранного критерия эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени, и системы реального времени. Каждый тип ОС имеет специфические внутренние механизмы и особые области применения.
При использовании мультипрограммирования для повышения пропускной способностикомпьютера главной целью является минимизация простоев всех устройств компьютера, и прежде всего центрального процессора. Такие простои могут возникать из-за приостановки задачи по ее внутренним причинам, связанным, например, с ожиданием ввода данных для обработки. В этом случае происходит переключение процессора на выполнение другой задачи, у которой есть данные для обработки. Такая концепция мультипрограммирования положена в основу пакетных систем.
Еще одна разновидность мультипрограм мирования используется в системах реального времени, предназначенных для управления от компьютера различными техническими объектами или технологическими процессами. Критерием эффективности является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата.
Повышение удобства и эффективности работы пользователя является целью другого способа мультипрограммирования - в режиме разделения времени. В системах разделения времени пользователь может интерактивно работать с несколькими приложениями. ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, за счет чего достигается интерактивность.
Планирование процессов и потоков.
В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы. Более крупная единица работы - процесс, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ – поток ов, которые представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.
Процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме процессорного времени. Этот важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками.
Подсистема управления процессами и потоками - занимается их созданием и уничтожением, поддерживает взаимодействие между ними, обеспечивает их необходимыми ресурсами, а также распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами и потоками.
ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное или в совместное с другими процессами пользование. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые — динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система. Синхронизация потоков является одной из важных функций подсистемы управления процессами и потоками.
11. Алгоритмы планирования процессов.
Планирование - обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору.
Планировщик - отвечающая за планирование часть операционной системы. Алгоритм планирования – порядок действий при планировании. П ланирование необходимо:
• когда создается процесс
• когда процесс завершает работу
• когда процесс блокируется на операции ввода/вывода, семафоре, и т.д.
• при прерывании ввода/вывода.
Алгоритм планирования без переключений (неприоритетный) - не требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс останавливается только когда блокируется или завершает работу.
Алгоритм планирования с переключениями (приоритетный) - требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс работает только отведенный период времени, после этого он приостанавливается по таймеру, чтобы передать управление планировщику.
Алгоритм планирования зависит от задач, зависящих от вида операционных систем.
Основные три системы:
• системы пакетной обработки - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм
• интерактивные системы - могут использовать только приоритетный алгоритм
• системы реального времени - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм
Планирование процессов в ОСРВ.
Планирование и диспетчеризация процессов в системах реального времени должно удовлетворять следующим требованиям:
• строгое соблюдение дисциплины планирования,
• полное исключение инверсии приоритетов между задачами (за исключением специальных планировщиков – например, невытесняющих),
• сохранение контекста задачи при вытеснении ее с процессора,
• восстановление контекста задачи при назначении ей процессора,
• минимально возможное потребление ресурсов - памяти и процессорного времени.
Существует 2 типа планировщиков задач. Простой планировщик – список готовых задач, упорядоченных по убыванию приоритета. «POSIX» планировщик поддерживает списки задач для каждого приоритета.
Типы планирования:
• невытесняющее планирование – применяется для быстрой обработки события,
• вытесняющее планирование - основной тип планирования в системах жесткого реального времени,
• круговое планирование - применяется как замена «общего цикла выполнения». ОС не влияет на вытеснение задач и на время выполнения задач,
• планирование с квантованием - похоже на круговое, но вытеснение задач происходит принудительно по истечении кванта времени (таким образом, ОС влияет на время выполнения задач),
• time-triggered scheduling - двойное и тройное исполнение задачи для сравнения результата вычислений. Жесткий (непериодический) график задач строится до исполнения (off-line). Прерывания разрешаются только в определенные моменты времени или не разрешаются во время полного цикла выполнения.