Доброго времени суток уважаемый пользователь. На этой страничке мы поговорим на такие темы, как: Назначение и основные функции операционных систем. Состав операционной системы.

Операционная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью. Операционные системы: MS DOS 7.0, Windows Vista Business, Windows 2008 Server, OS/2, UNIX, Linux.

Основные функции ОС:

• управление устройствами компьютера (ресурсами), т.е. согласованная работа всех аппаратных средств ПК: стандартизованный доступ к периферийным устройствам, управление оперативной памятью и др.
• управление процессами, т.е. выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
• ведение файловой структуры.
• пользовательский интерфейс, т.е. диалог с пользователем.

Дополнительные функции:

• параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений.
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Состав операционной системы

В общем случае в состав ОС входят следующие модули:

• Программный модуль, управляющий файловой системой.
• Командный процессор, выполняющий команды пользователя.
• Драйверы устройств.
• Программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.
• Сервисные программы.
• Справочная система.

Драйвер устройства (device driver) – специальная программа, обеспечивающая управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами.

Командный процессор (command processor) – специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их (интерпретатор программ).

Интерпретатор команд отвечает за загрузку приложений и управление информационным потоком между приложениями.

Для упрощения работы пользователя в состав современных ОС входят программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.
Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В ОС имеется программный модуль, управляющий файловой системой.

Сервисные программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и др.), выполнять операции с файлами (копирование, переименование и др.), работать в компьютерных сетях.

Для удобства пользователя в состав ОС входит справочная система , позволяющая оперативно получить необходимую информацию о функционировании как ОС в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

Примечание

Состав модулей ОС, а также их количество зависит от семейства и вида ОС. Так, например, в ОС MS DOS отсутствует модуль, обеспечивающий графический пользовательский интерфейс.

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

1. Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.
2. Вспомогательные модули , выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме .

Модули ядра выполняют следующие базовые функции ОС: Управление процессами, Управление системой прерываний, Управление памятью, управление устройствами ввода-вывода, Функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/вы­грузка страниц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложе­ний. Функции, служащие 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: 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 (Application programming interface) .

Пример.
Базовый код API Win32 содержится в трех библиотеках динамической загрузки (Dynamic Link Library, DLL): USER32, GDI32 и KERNEL32.

Kernel — модуль Windows, который поддерживает низкоуровневые функции по работе с файлами и управлению памятью и процессами. Этот модуль обеспечивает сервис для 16- и 32-разрядных приложений.
GDI (Graphics Device Interface) — модуль Windows, обеспечивающий реализацию графических функций по работе с цветом, шрифтами и графическими примитивами для дисплея и принтеров.
User — модуль Windows, который является диспетчером окон и занимается созданием и управлением отображаемыми на экране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и другими элементами пользовательского интерфейса.
Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.
Вспомогательные модули ОС выполняют вспомогательные функции ОС (полезные, но менее обязательные чем функции ядра).

Примеры вспомогательных модулей:

• Программа архивирования данных.
• Программа дефрагментации диска.
• Текстовый редактор.

Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур. Вспомогательные модули ОС подразделяются на следующие группы:

утилиты – программы, решающие задачи управления и сопровождения компьютерной системы: обслуживание дисков и файлов.

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

программы предоставления пользователю дополнительных услуг пользовательского интерфейса (калькулятор, игры).

библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку при­ложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода).

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.
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 ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Вспомогательные модули обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Примечание

Разделение операционной системы на ядро и вспомогательные модули обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать основные функции, образующие ядро системы.

Объектами ядра ОС являются:

• Процессы (рассмотрено в теме 2.3).
• Файлы.
• События.
• Потоки (рассмотрено в теме 2.3).
• Семафоры – объекты, позволяющие войти в заданный участок кода не более чем n потокам.
• Мьютексы – одноместные семафоры, служащие в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков.
• Файлы, проецируемые в память.

Билет 1

Понятие ОС. Основные функции ОС.

Причины развития ОС.

1)Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.

· Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

· Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

· Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

· Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

· Обеспечение пользовательского интерфейса.

· Сохранение информации об ошибках системы.

· Дополнительные функции:

· Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

· Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

· Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

· Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

· Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

· Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

· Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа

2) Главные цели разработчиков операционной системы:

· Эффективное использование всех компьютерных ресурсов.

· Повышение производительности труда программистов.

· Простота, гибкость, эффективность и надежность организации вычислительного процесса.

· Обеспечение независимости прикладных программ от аппаратного обеспечения (АО).

Билет2

Системное ПО. Состав системного ПО.

Билет 3

Система управления файлами.

Классификация ОС.

Система управления файлами (СУФ) – организация более удобного доступа к файлам, расположенным на внешних носителях, организованных как файл. Любая СУФ не может работать сама по себе, а предназначена для конкретной ОС

Классификация:
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 ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.
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 95).

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.
Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

многопользовательские (UNIX, Windows NT).

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.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
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).
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.
В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Билет 4

Интерфейсные оболочки. Операционная среда. Эмулятор.

Билет 5

Билет 6

Билет 7

Сервисы, предоставляемые ОС.

Что такое контекст задачи?

1) разработка программ . Операционная система предоставляет программисту разнообразные инструменты и сервисы, например, редакторы и отладчики. Эти сервисы, реализованные в виде программных утилит, которые поддерживают операционные системы, хотя и не входят в его ядро, такие программы называют инструментами разработки приложений ;

2) исполнение программ. Для запуска программы требуется выполнить ряд действий. Следует загрузить в основную память команды и данные, инициализировать устройства. Операционная система выполняет рутинную работу;

3) доступ к устройствам ввода/вывода . Для управления работой каждым устройством ввода/вывода нужен свой набор команд или контролируемый сигнал. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который вскрывает все эти детали и обеспечивает программисту доступ к устройствам ввода/вывода с помощью простых команд чтения и записи;

4) контролируем доступ к файлам . При работе с файлами, управление его стороны операционной системы предназначено не только понимание природы устройств ввода/вывода и знание структур данных записанные в файлах. Многопользовательские операционные системы, кроме того, обеспечивают работу механизмов защиты при обращении к файлам;

5) системы доступа . Операционная система управляет доступом к общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она должна обеспечить защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, также разрешать конфликтные ситуации;

6)обнаружение ошибок и их обработка . При работе компьютерной системы происходят различные сбои, к их числу относятся внутренние и внешние ошибки, возникшие в аппаратном обеспечении, например, ошибки памяти, отказ или сбой устройств, возможны и программные ошибки: арифметическое переполнение, попытка обратиться к ячейке памяти, доступ к которым запущен и невозможность выполнения запроса приложения. В каждом из этих случаев операционная система должна выполнить действие, минимизирующее влияние ошибки на работу приложения. Реакция операционной системы на ошибку может быть различной: от простого сообщения об ошибке, до аварийной остановки программы;

7) учёт использования ресурсов . Хорошая операционная система должна иметь средства учёта использования различных ресурсов и отображение параметров производителя. Эта информация крайне важна для дальнейшего улучшения и настройки система, для повышения производительности.

Контекст задачи состоит из файлов, результатов поиска и другой связанной информации, на которую приходится ссылаться при работе над задачей.

Билет 8

Вычислительный ресурс.

?Системные и прикладные программные модули.

1)Вычислительными ресурсами называются возможности, обеспечиваемые компонентами вычислительной системы, расходуемые (занимаемые) в процессе её работы.

Типы вычислительных ресурсов :

1.Процессорное время

2.Память (оперативная и виртуальная)

3.Место на жёстком диске (постоянная память)

4.Пропускная способность сети.

Программный модуль - согласно ГОСТ 19781-90 - программа или функционально завершенный фрагмент программы, предназначенный для:

1)хранения;
2) трансляции;

3) объединения с другими программными модулями;

4) загрузки в оперативную память.

Различают:
- стандартные модули, входящие в язык программирования; и
- пользовательские модули, предназначенные для упрощения работы программистов.

Билет 9

Билет 10

Билет 11

Граф состояний процесса.

Регистры процессора .

Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность . Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение . В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Покинуть это состояние процесс может по трем причинам:

1)либо он заканчивает свою деятельность;

2)либо он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание ;

3)либо в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении дозволенного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность .

2) В процессоре имеется набор регистров, которые представляют собой область памяти быстрого доступа, намного меньшей емкости, чем основная память.

Регистры в процессоре выполняют 2 ф-ии:

Адресные регистры.

Может быть записана только часть адреса, которая исполняется при вычислении полного или эффективного адреса.

А) индексные регистры используются в обычном режиме адресации, когда адрес получается в рез-те сложения содержимого индексного и базового регистров.

Б) сегментный регистр – при сегментной адресации память разделяется на блоки (сегменты), состоящие из различного кол-ва машинных слов. Адрес ячейки памяти складывается из адреса сегмента и смещения относительно начала сегмента, при этом режиме адресации базовый адрес сегмента хранится в одном из регистров. Таких регистров может быть несколько- один для ОС(когда выполняется код ОС), а другие для исполняющихся приложений(прикладных программ).

3. регистры стека. При стековой адресации выделяется специальный регистр, в котором размещен указатель на вершину стека.

Управляющие регистры. Регистры состояния.

Некоторые регистры доступны для команд исполняемых в режиме управления (режим ОС или режим супервизора).

Программный счетчик содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.

Регистр команд содержит последнюю выбранную из памяти команду. Вт состав всех процессоров входит набор регистров-слова состояния программы. В нем содержится коды условий и др. информация о состоянии выполняемой программы. В управляющих регистрах также содержится биты отдельные, известные как флаги или коды устройства. Эти биты устанавливаются или сбрасываются процессором в зависимости от результата выполняемой операции.

Существуют машинные команды, позволяющие прочитать содержимое всех битов с помощью явных обращений к регистру. Однако изменять содержимое таких регистров нельзя.

Билет 12

Дескриптор процесса.

Билет 13

Дескриптор ОС РВ.

Билет 14

Процессы и потоки.

Билет 15

ОС как диспетчер ресурсов.

1)

2) Компьютер представляет собой набор ресурсов, поддерживающих выполнение задач, накопление, хранение, перемещение и обработки данных, также контролирует работу этих и других функций. Именно операционная система управляет ресурсами компьютера и контролирует его основные функции. Однако это управление имеет следующие особенности: 1) функции операционной системе работают так же, как и всё остальное программное обеспечение, т.е. они реализуются в виде отдельных программ или набора программ, исполняющихся процессов; 2) операционная система должна передавать управление другими процессами и ожидать, когда процессор снова позволит ей выполнить свои обязанности. Операционная система – это, по сущности, набор компьютерных программ, как и любая другая программа, она отдаёт процессору команды. Ключевым отличием является назначение этой программы. Операционная система //способна//: как использовать другие системные ресурсы, и как распределять время при использовании других программ, но для этого процессор должен приостановить работу с ней и перейти к выполнению других программ. Таким образом, операционная система уступает управление процессору, чтобы он смог выполнить некоторую полезную работу, а затем возобновляет контроль ровно на столько, чтобы подготовить процессор к следующей части работы. Часть операционной системы находится в оперативной памяти (основная, базовая). В эту часть входят ядро (Kernel ), содержащее основную часть наиболее часто используемых функций, там же находятся и некоторые другие компоненты операционной системы, использующиеся в данный момент времени. Остальная часть содержит другие программы и данные пользователя. Размещение этих данных в оперативной памяти управляется совместно операционной системой и аппаратной частью процессора, предназначенной для управления памятью. Операционная система принимает решение, когда исполняющая программа может испортить нужные ей устройства ввода/вывода и управляет доступом к файлам Процессор также является ресурсом, которому операционная система должна определить, сколько времени он должен уделить исполнению той или иной пользовательской программы. Многопроцессорные системы: решение должно быть принято по каждому процессу.

Билет 16

Билет 17

Билет 18

Взаимоблокировка процессов.

1) Многоуровневая архитектура появилась как ответ на ограничения монолитной архитектуры в плане расширяемости, переносимости и совместимости. Основная идея многоуровневой архитектуры состоит в следующем:
1. Полная функциональность операционной системы разделяется на уровни, например уровень управления аппаратурой, уровень управления памятью, уровень файловой системы, уровень управления процессами и т.п.
2. Для каждого уровня определяются интерфейс взаимодействия, т.е. некоторый набор правил, согласно которым следует обращаться за услугами данного уровня.

3. Взаимодействие уровней строится таким образом, что каждый уровень может обращаться за услугами только к соседнему нижележащему уровню через его интерфейс.

4. Внутренние структуры данных каждого уровня не доступны другим уровням, а реализации процедур уровня скрыты и не зависят от реализаций процедур внутри других уровней.

Многоуровневая архитектура предполагает взаимодействие между уровнями исключительно через их интерфейсы, при этом внутренняя реализация уровней скрыта от других уровней. Это позволяет в случае необходимости изменять внутренние реализации процедур уровня на более эффективные. Можно даже полностью заменить весь уровень, требуется только обеспечить стандартный интерфейс взаимодействия с другими уровнями.

2) Взаимоблокировка процессов может происходить, когда несколько процессов борются за один ресурс.

Ресурсы бывают выгружаемые и невыгружаемые, аппаратные и программные.

Выгружаемый ресурс - этот ресурс безболезненно можно забрать у процесса (например: память).

Невыгружаемый ресурс - этот ресурс нельзя забрать у процесса без потери данных (например: принтер).

Проблема взаимоблокировок процессов возникает при борьбе за невыгружаемый ресурсы.

Условия необходимые для взаимоблокировки:

Условие взаимного исключения - в какой-то момент времени, ресурс занят только одним процессом или свободен.

Условие удержания и ожидания - процесс, удерживающий ресурс может запрашивать новые ресурсы.

Условие отсутствия принудительной выгрузки ресурса.

Условие циклического ожидания - должна существовать круговая последовательность из процессов, каждый, из которого ждет доступа к ресурсу, удерживаемому следующим членом последовательности.

Билет 19

Структура ОС: экзоядро.

Сформулируйте требования к созданию потоков в прикладной программе.

1) Экзоядро - ядро операционной системы компьютеров, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов. Экзо - приставка, обозначающая нечто внешнее, находящееся снаружи. В традиционных операционных системах ядро предоставляет не только минимальный набор сервисов, обеспечивающих выполнение программ, но и большое количество высокоуровневых абстракций для использования разнородных ресурсов компьютера:оперативной памяти, жестких дисков, сетевых подключений. В отличие от них, ОС на основе экзоядра предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. Экзоядро не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов - эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). Основная идея операционной системы на основе экзоядра состоит в том, что ядро должно выполнять лишь функции координатора для небольших процессов, связанных только одним ограничением - экзоядро должно иметь возможность гарантировать безопасное выделение и освобождение ресурсов оборудования. В отличие от ОС на основе микроядра, ОС, базирующиеся на экзоядре, обеспечивают гораздо большую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.

Билет 20

Многопоточный Web-сервер

Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты.

Веб-сервер - это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, обычно вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными. Веб-серверы - основа Всемирной паутины.

Клиент, которым обычно является веб-браузер, передаёт веб-серверу запросы на получение ресурсов, обозначенных URL-адресами. Ресурсы - это HTML-страницы, изображения, файлы, медиа-потоки или другие данные, которые необходимы клиенту. В ответ веб-сервер передаёт клиенту запрошенные данные. Этот обмен происходит по протоколу HTTP.

Билет 21

Прерывание и цикл команд

1) Систе́ма виртуа́льных маши́н (СВМ) - операционная система для ЕС ЭВМ, аналог системы VM фирмы IBM.

Основные особенности СВМ.

СВМ (VM, и её ранняя версия CP/CMS) - первая система, в которой была реализована технология виртуальных машин. Виртуализация в СВМ была последовательной и полной, в частности, на виртуальной машине можно было запустить другую копию системы СВМ, и так далее. Более того, запуск СВМ на виртуальной машине СВМ был рекомендованным методом генерации новой версии системы для установки. В частности, это означало, что любое реальное устройство ЭВМ могло быть тем или иным методом представлено в виде виртуального устройства на виртуальной машине. До сих пор ни одна другая реализация виртуальных машин не обладает таким свойством.

2) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:

Цикл команд.

Процессор выбирает команду и запускает ее. При этом исполнение программы сводится к выборке и ее исполнению. Для выполнения одной команды может потребоваться несколько операций. Их число определяется природой команд.

Билет 22

Программные модули

Модели потока

1) Программный модуль является самостоятельным программным продуктом. Это означает, что каждый программный модуль разрабатывается, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программных систем при условии выполнения требований, предъявляемых к его использованию в документации к этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство упрощения сложных программ, и как средство накопления и многократного использования программистских знаний.

Модуль характеризуют:

Один вход и один выход. На входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет их обработку и возвращает один набор выходных данных;

Функциональная завершенность. Модуль выполняет набор определенных операций для реализации каждой отдельной функции, достаточных для завершения начатой обработки данных;

Логическая независимость. Результат работы данного фрагмента программы не зависит от работы других модулей;

Слабые информационные связи с другими программными модулями. Обмен информацией между отдельными модулями должен быть минимален;

Размер и сложность программного элемента в разумных рамках.

Таким образом, модули содержат описание исходных данных, операции обработки данных и структуры взаимосвязи с другими модулями.

2) В компьютерных науках пото́к выполне́ния (англ. Thread - нить) является наименьшей единицей обработки, исполнение которой может быть назначено операционной системой. Реализация потоков выполнения и процессов в разных операционных системах отличается друг от друга, но в большинстве случаев поток выполнения находится внутри процесса. Несколько потоков выполнения могут существовать в рамках одного и того же процесса и совместно использовать ресурсы, такие как память, тогда как процессы не разделяют этих ресурсов. В частности, потоки выполнения разделяют инструкции процесса (его код) и его контекст (значения переменных, которые они имеют в любой момент времени). В качестве аналогии потоки выполнения процесса можно уподобить нескольким вместе работающим поварам. Все они готовят одно блюдо, читают одну и ту же кулинарную книгу с одним и тем же рецептом и следуют его указаниям, причём не обязательно все они читают на одной и той же странице.

Билет 23

Классификация ресурсов

1) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:

Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. Предположим, что процессор передает данные на принтер по схеме, показанной рис. 1.2. После каждой операции процессор вынужден делать паузу и ждать, пока принтер не примет данные. Длительность этой паузы может быть в сотни и даже тысячи раз больше длительности цикла команды, в которой участвуют обращения к памяти. Ясно, что подобное использование процессора является неэффективным. Такое положение дел проиллюстрировано на рис. 1.5,а. Программа пользователя содержит ряд вызовов процедуры записи WRITE, в промежутках между которыми расположены другие команды. В отрезках 1, 2 и 3 находятся последовательности команд кода, в которых не используется ввод-вывод. При вызове процедуры WRITE управление передается системной утилите ввода-вывода, которая выполняет соответствующие операции. Программа ввода-вывода состоит из трех частей. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 4, которые служат для подготовки к собственно операциям ввода-вывода. В эту последовательность могут входить копирование выводимых данных в специальный буфер и подготовка набора параметров, необходимых для управления устройством. Собственно команды ввода-вывода. Если программа не использует прерываний, ей следует ждать, пока устройство ввода-вывода не выполнит требуемые операции (или периодически проверять его состояние путем опроса). При этом программе не остается ничего другого, как просто ждать, постоянно проверяя, завершилась ли операция ввода-вывода. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 5, которые служат для завершения операции. Эта последовательность может содержать в себе установку флагов, свидетельствующих об успешном или неудачном завершении операции.

Из-за того что для выполнения операции ввода-вывода может потребоваться сравнительно длительный промежуток времени, программа замедляет работу, ожидая завершения операции. Таким образом, там, где встречается вызов WRITE, производительность программы существенно уменьшается.

2) Термин «ресурс» обычно применяется по отношению к неоднократно используемым, относительно стабильным и «дефицитным» объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом является любой объект, который может распределяться внутри системы. Ресурсы могут быть разделяемыми , когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно(в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми.

Билет 24

Обработка прерываний

Супервизор ОС

Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) - специальная процедура, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание.

Обработчик прерываний - это низкоуровневый эквивалент обработчика событий. Эти обработчики вызываются либо по аппаратному прерыванию, либо соответствующей инструкцией в программе, и соответственно обычно предназначены для взаимодействия с устройствами или для осуществления вызова функций операционной системы.

На современных ПК обработчики основных аппаратных и программных прерываний находятся в памяти BIOS. Современная операционная система, во время своей загрузки, заменяет эти обработчики своими. При загрузке драйверов устройств, операционная система распределяет управление обработкой прерывания между ними. В операционных системах семейства Windows программные прерывания используются для вызовов многих API функций. В ассемблере X86 прерывание вызывается командой int.

2) Управление вводом-выводом осуществляется компонентом операционной системы, который часто называют супервизором ввода-вывода. Перечислим основные задачи, возлагаемые на супервизор.

1) Модуль супервизора операционной системы, иногда называемый супервизором задач, получает запросы от прикладных задач на выполнение тех или иных операций, в том числе на ввод-вывод. Эти запросы проверяются на корректность и, если они соответствуют спецификациям и не содержат ошибок, то обрабатываются дальше. В противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.

2) Супервизор ввода-вывода получает запросы на ввод-вывод от супервизора задач или от программных модулей самой операционной системы.

3) Супервизор ввода-вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод-вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода-вывода задачам, затребовавшим эти устройства). Запрос на ввод-вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение.

4) Супервизор ввода-вывода инициирует операции ввода-вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом-выводом с использованием прерываний предоставляет процессор диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение.

5) При получении сигналов прерываний от устройств ввода-вывода супервизор идентифицирует эти сигналы (см. раздел «Прерывания» в главе 1) и передает управление соответствующим программам обработки прерываний.

6) Супервизор ввода-вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода-вывода.

7) Супервизор ввода-вывода посылает сообщения о завершении операции ввода-вывода запросившей эту операцию задаче и снимает ее с состояния ожидания ввода-вывода, если задача ожидала завершения операции.

Билет 25

Множественные прерывания.

Многопоточный Web-сервер.

1) билет 20

2)Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. несколько прерываний . Например, программа получает данные по коммуникационной линии и сразу же распечатывает результат. Принтер будет генерировать прерывание при каждом завершении операции печати, а контроллер коммуникационной линии - при каждом поступлении новой порции данных. Эта порция может состоять из одного символа или из целого блока, в зависимости от установленного порядка обслуживания. В любом случае возможна ситуаци

Системное ПО предназначено, прежде всего, для обслуживания самого компьютера, для управления работой его устройств. Главной частью системного ПО является операционная система (ОС).

F Операционная система (базовое программное обеспечение ) - это множество программ, дополняющих функции технического обеспечения и реализующих связь пользователей компьютером с его физическими ресурсами.

ОС - это сложная программная система, управляющая работой компьютера. Она организует диалог с пользователем, дает возможность удобного доступа к ресурсам и управляет выполнением всех программ. При включении компьютера происходит загрузка ОС в оперативную память ЭВМ. Точнее говоря, в ОЗУ загружается с магнитного диска ядро ОС, т. е. та часть системы, которая должна постоянно находиться в оперативной памяти, пока работает компьютер. Диск, на котором хранится ОС и с которого происходит ее загрузка, называется системным диском.

Любые операционные системы, независимо от типа, выполняют три основные функции:

– управление устройствами компьютера;

– взаимодействие с пользователем;

– работа с файлами.

ОС MS-DOS поддерживает однозадачный режим работы компьютера, а операционная система Windows поддерживает многозадачный режим. Однозадачный режим работы означает, что в данный момент на компьютере может выполняться только одна программа, запущенная пользователем на исполнение (инициализированная пользователем). И только после того, как выполнение этой программы будет завершено, пользователь может инициализировать другую программу.

Многозадачный режим работы компьютера означает, что пользователь может запустить сразу несколько прикладных программ и работать с ними одновременно. Запущенные программы называются активными задачами, и все они отражаются значками на панели задач Windows. Например, можно одновременно запустить программы «Калькулятор», «Блокнот», «Paint»; на экране появятся окна этих программ. Пользователь, переходя из одного окна в другое, может поочередно работать с этими приложениями. При таких переходах предыдущая программа не закрывается, т. е. не выгружается из оперативной памяти, и в любой момент готова продолжить свою работу, как только пользователь вернется в ее окно.

Нередко встречается такая ситуация, когда одна из запущенных программ требует длительного времени для своей работы. Например, большие математические вычисления или проверка дисков на наличие вирусов. В таком случае эта программа выполняется в фоновом режиме, т. е. ее исполнение не прекращается до полного завершения, а в это же время (на ее фоне) пользователь может выполнять какую-то оперативную работу с другими программами, например, может набирать текст в текстовом редакторе.

В поддержке многозадачного режима работы проявляется одна из сторон управляющей функции операционной системы: управление процессором и оперативной памятью. Для одновременного выполнения нескольких программ операционная система должна разделять между ними время работы процессора, следить за размещением этих программ и данных в памяти так, чтобы они не мешали друг другу (разделять память).

Управление внешними устройствами компьютера - еще одна из сторон первой функции ОС. В состав операционной системы входят специальные программы управления внешними устройствами, которые называются драйверами внешних устройств. Для каждого типа и каждой конкретной модели внешнего устройства существует свой драйвер. Иногда ОС автоматически подбирает подходящий драйвер, иногда об этом приходится заботиться пользователю.

Научиться работать на компьютере - это значит, прежде всего, научиться взаимодействовать с операционной системой. Обычно пользователь, привыкший работать в среде какой-то определенной ОС, сталкиваясь с незнакомой ему системой, с непривычной обстановкой на экране, испытывает растерянность. В компьютерной терминологии для обозначения способа, взаимодействия программы с пользователем принят термин пользовательский интерфейс. Очень удобно, когда пользовательский интерфейс унифицирован. Примером такого унифицированного интерфейса является среда диалоговой оболочки Norton Commander (NC). Ее аналоги реализованы в различных операционных системах. Не очень грамотный пользователь может и не знать, с какой ОС он работает, но ориентироваться в интерфейсе NC. Примером другого унифицированного системного интерфейса является «Рабочий стол» Windows. Это объектно-ориентированная графическая среда. С появлением новых версий ОС Windows она может в чем-то совершенствоваться, но основные принципы будут сохраняться для соблюдения преемственности, для удобства пользователя.

Основные пользовательские навыки работы с операционной системой сводятся к следующему:

– уметь находить нужную программу и инициализировать ее выполнение;

– уметь выполнять основные операции с файлами: копировать, переносить, удалять, переименовывать, просматривать содержимое файлов;

– получать справочную информацию о состоянии компьютера, о заполнении дисков, о размерах и типах файлов.

Общение операционной системы с пользователем происходит в диалоговом (интерактивном) режиме в форме:

<Приглашение ОС> - <Команда, отдаваемая пользователем>

Такая схема универсальна. Однако в зависимости от используемого интерфейса, как форма приглашения, так и способ передачи команды могут быть разными. Если работа происходит без использования какой-либо удобной диалоговой оболочки, то общение пользователя с ОС производится через командную строку. Такое возможно, например, при работе с MS-DOS. На экране в командной строке появляется символьный курсор, указывающий на то, что система готова к приему команды. Обычно в командной строке еще указывается текущий диск и текущий каталог, с которым может работать ОС. Такое состояние командной строки пользователь должен воспринимать как приглашение системы к вводу команды. Далее пользователь через клавиатуру вводит нужную команду. При этом он должен точно соблюдать синтаксис команды, иначе она не будет воспринята. Например:

С:\> сору filel.txt A:\file2.txt

Перед значком «>» стоит информация, выводимая с приглашением ОС, которая указывает на текущий диск (С) и текущий каталог (корневой). После значка «>» записана команда, которую ввел пользователь. Ее смысл: скопировать файл с именем filel.txt с текущего диска и каталога в корневой каталог диска А под новым именем file2.txt.

Совокупность команд, которые понимает операционная система, составляет язык команд ОС. В таком режиме общения - режиме командной строки, пользователь должен знать язык команд со всеми подробностями его синтаксиса. Сейчас весьма редко работают на ПК в режиме командной строки. Основным средством общения являются диалоговые оболочки. Но, независимо от того, используется диалоговая оболочка или нет, у любой ОС существует свой язык команд.

Работая с диалоговой оболочкой, пользователь также формирует команды ОС, только при этом он использует вспомогательные средства, упрощающие его работу. При работе с оболочками признаком приглашения ОС является появление на экране среды (интерфейса) оболочки: панелей NC или Рабочего стола Windows. Пользователь отдает команды путем выбора из представленных на экране меню нажатием функциональных клавиш или каких-либо групп клавиш. Использование оболочек освобождает пользователя от необходимости знать подробности синтаксиса языка команд ОС. Однако пользователь должен понимать, какие именно команды он может отдать и как это сделать. Интерфейс современных оболочек ОС достаточно дружественен к пользователю. В нем применяются многочисленные формы подсказок и пояснений.

Третья функция операционной системы - работа с файлами. Эта работа осуществляется с помощью раздела ОС, который называется файловой системой. При работе с MS-DOS имя файла может содержать не более 8 символов - латинских букв и цифр; для Windows имя файла может быть более длинным (до 255 символов) и допускает использование русских букв.

Все файлы в компьютере, как и информация, делятся на два типа: программные (их еще называют исполняемыми файлами) и файлы данных. Память жесткого диска (винчестера) может делится на части (логические диски), каждой из которых присваивается свое имя (С:, D: и т. д.), т. е. в этом случае различают понятия физического и логического дисков. Если же компьютер обладает только накопителями для дискет, то можно просто говорить о дисках А: или В:, не употребляя эпитеты «логический» или «физический».

Понятие «дерева» каталогов характерно для операционных систем, работающих с иерархическими файловыми структурами (MS-DOS и Windows). Иерархические структуры - это один из распространенных способов организации данных (наряду с сетевым и табличным). Наглядное представление о файловой структуре дает дерево - графическое отображение иерархии каталогов (папок) на диске. Единственный путь перехода из одного подкаталога в другой, это возврат (движение вверх по «дереву»), а затем движение вниз по новому направлению. Таким образом, полное имя файла в ОС WINDOWS включает имя диска, путь к файлу на диске и собственно имя и расширение файла.

ОС определяет облик всей вычислительной системы вцелом, несмотря на это пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение ОС.

Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по существу малосвязанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышения эффективности использования компьютера, путем рационального управления ресурсами.

Дополнительные функции:

1) параллельной или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);

7) многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа;

1. 
   Основные характеристики ОС

Вычислительный процесс представляет собой программу или задачу в стадии выполнения. Вычислительным ресурсом называется любой объект вычислительной системы, необходимый для выполнения процесса. Вычислительные ресурсы по способу возможного использования подразделяются на:

Монопольные, которые могут использоваться только одной программой (печать, МЛ);

Разделяемые, которые допускают их совместное использование одновременно несколькими процессами (НМД, ОП).

В мультипрограммных и мультипроцессорных системах требуется разделение всех ресурсов, что и породило их виртуализацию.

Особенности алгоритмов управления ресурсами. От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, 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, ОС делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

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 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они 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.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

Однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

Многопользовательские (UNIX, Windows NT).

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.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

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).

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.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

1. 
   Определение операционной системы. Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем

Существуют две группы отделений ОС:

1) ОС - набор программ, управляющих оборудованием;

2) ОС - набор программ, управляющих други программами.

Обе они имеют свой точный технический смысл.

Возникшая неоднозначность представления ОС требует нескольких определений, перерывающих в совокупности все ее качества и свойства.

ОС - это комплекс программ, связывающие прикладное ПО с физическими устройствами.

ОС - среда управления информацией и задачами пользователя. В этом смысле, все многообразие задач, выполняемых ОС, подразделяется на 2 большие группы:

1) обслуживание пользователя;

2) обслуживание самой ОС.

Разработчикам ПО ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций, представленных в интерфейсе программирования приложения. В большинстве вычислительных систем ОС является основной и наиболее важной, а иногда и единственной, частью системного ПО.

1. 
   Назначение операционной системы

Обобщая, ОС - это комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой, предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надежных вычислений. Это определение применил к большинству современных ОС общего назначения.

1. 
   Место ОС в вычислительной системе

В логической структуре вычислительной системы ОС занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинном языком и возможно собственными (встроенными) микропрограммами с одной стороны и прикладными программами с другой.

Основные функции, выполняемые ОС:

1) выполнение программ по запросу (ввод/вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти);

2) загрузки программ в оперативную память и их выполнение;

3) стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода/вывода);

4) управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти);

5) управление доступом к данным на энергонезависимых носителях, организованным в той или иной файловой системе;

6) обеспечение пользовательского интерфейса;

7) сохранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

1) паралллельной или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);

2) эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами;

3) разграничение доступа различных процессов к ресурсам;

4) организация надежных вычислений, основанная на разграничении доступа к ресурсам;

5) взаимодействие между процессорами, обмен данными, взаимная синхронизация;

6) защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей или приложений;

7) многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа
7)

Компоненты операционной системы:

1) загрузчик

2) ядро - центральная часть ОС, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются: процессорное время, память, устройства ввода/вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие так же могут быть реализованы на уровне ядра. Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимой для уровня работы. Как правило, ядро представляет такой доступ к исполняемым процессам соответствующих приложений засчет использования механизмов межпроцессорного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС. Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа ее реализации.

Объекты ядра ОС:

Процессы

События

Семафоры

Мьютексы

Файлы, проецируемые в память.

3) командный процессор (интерпретатор)

4) Драйверы устройств

5) интерфейс
8)

Эволюция ОС
Предшественником операционных систем следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальныхкомпьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950-1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Основные идеи

ОС как расширенная машина

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно. Особенно это касается ввода и вывода. Например, для организации чтит блока данных с диска может использоваться 16 различных команд, в каждой из которых требуется порядка 15 параметров, таких как: номер блока на диске, номер сектора на дорожке и так далее. Когда выполнение операций с диском завершается, контролер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые очевидно надо анализировать.

При работе с диском пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.

Точно так же ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, ОС берет на себя при этом все вопросы, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря ОС, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем аульная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины. С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователям некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

ОС как система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователя соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющим всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из...

В соответствии со вторым подходом, функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечивать максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть: пропускная способность или реактивность системы.

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурсов, задач. Планирование ресурсов - то есть, определение кому, когда и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс. Отслеживание состояний ресурсов - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов, какое количество ресурсов распределено, а какое свободно.

Для решения общих задач управление ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом, включая их характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС - системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

[править]Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) - в пакетном режиме.

[править]Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора - «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

[править]Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») - синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).

В ОС есть набор программ, которые распределяют ресурсы процессора. Приведенная выше формулировка является ключевой для всего курса. Дадим определение входящих в нее терминов.

Ресурс - средство системы обработки данных, которое может быть выделено процессу обработки данных на определенный интервал времени. Простыми словами, ресурс - это все те аппаратные программные средства и данные, которые необходимы для выполнения программы.

Ресурсы подразделяют на:

1) cистемные - низкоуровневые, которыми управляет сама операционная система. Время работы процессора, оперативная память, память на постоянных носителях, возможностиразнообразных внешних устройств и время их работы - все это система должна предоставлять пользователям и этим должна управлять.

2) пользовательские - это требования к системе выраженное в терминах объектов или функциональных характеристик прикладной области. Это может быть файл или таблица, окно для рисования в графической системе, документ в системе печати, мелодия в динамике, запущенное задание, массив памяти и т.д. В проективной системе пользователь должен понимать, в какие системные ресурсы преобразуются его прикладные запросы, чтобы оптимально проектировать их.

Ресурсы можно также подразделить на первичные и вторичные. К первой группе относятся те ресурсы, которые обеспечиваются аппаратными средствами. Например, процессор, память,устройства и каналы ввода-вывода и т.д. Ко второй группе - ресурсы порождаемые ОС. Например, системные коды и структуры данных, файлы, семафоры, очереди и т.д. В последнее время в связи с развитием распределенных вычислений и распределенного хранения данных все большее значения приобретают такие ресурсы как данные и сообщения.Ресурсы могут быть:

1) pазделяемыми - когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попременно)

2) неделимыми.
10)

Прежде всегонеободимо уяснить смысл термина операция или операционная. В теории управления под операцией понимают определенное управляющее воздействие, и мы вправе понимать под термином операционная система - управляющая система или управлемая система.

Оба понятия одинаково справедливы, т.к. ОС является одновременно и управляющей по отношению к ресурсам системы и управляемой, когда она выполняет команды пользователя.

Операционная среда - совокупность инструментов, методов их интеграции и приемов работы с ними,позволяющая решать любые задачи в инструментальной области и большинство задач в прикладных областях. Отличие операционной среды от специализированной состоит в том, что, во-первых, в операционной среде есть средства решения задач в прикладных областях (а не одной), а, во-вторых, если инструмента решения какой-то задачи нет, то средствами операционной среды его всегда можно задать. Здесь мы окончательно отождествляем машину и компьютер, причем не просто микропроцессор, а компьютер общего назначения, обладающий развитой системой ввода-вывода,хранения и переработки информации.Только такой мощный инструмент как компьютер может служить платформой для построения системы, способной выполнять задачи из различных сфер деятельности человека.

Не знаю,надо или нет,но есть такой раздел "Операционная среда. Прикладная среда"

Прикладная среда (ПС) - это модель окружения операционной системы обеспечивающего предоставления разнообразных интерфейсов. Прикладная среда создает вокруг базовой операционной системы оболочку, предоставляющую набор необходимых интерфейсов. В настоящее время понятие ПС дополено вводом в обиход нового понятия - множественные прикладные среды. В то время, как некоторые идеи, например объектно ориентированный подход непосредствнно касаются только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя,концепция множественных прикладных сред приносит пользователю возможность выполнять насвоей ОС программы, написанные для других операционных систем и других процессов. И сейчас дополнительное прграммное обеспечение позволяет пользователям некоторых ОС запускать чужиепрограммы. Например мак и юникс поволяют запускать дос и виндовс. Но в зарождающемся поколении операционных систем средства для выполнения чужих программ становятся стандартной частью системы. Выбор операционной системы больше не будет ограничивать выбор прикладных программ.

1. 
   Понятие процесса.

Понятие процесса характеризует некоторую совокупность набора исполняющихся команд, ассоциированных с ним ресурсов (выделенная для исполнения память или адресное пространство , стеки, используемые файлы и устройства ввода-вывода и т. д.) и текущего момента его выполнения (значения регистров, программного счетчика, состояние стека и значения переменных), находящуюся под управлением операционной системы. В некоторых ОС для работы определенных программ может организовываться более 1 процесса или 1 и тот же процесс может последовательно исполнять несколько программ.

1. 
   Поток. Контекст. Волокна

Понятию «поток» соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой. ОС распределяет процессорное время между потоками. Существуют Однопоточные и многопоточные ОС.

Аннотация: Функции операционной системы. Структура операционной системы. Классификация операционных систем. Требования к операционным системам.

Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).

Рис. 1.1.

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение ( ПО , software ) и оборудование или аппаратное обеспечение ( hardware ). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО .

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа ( приложение , application ). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word ), графические редакторы ( Paint , Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel ), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server ), браузеры ( Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением ( application software ).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio .

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы , выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие ( архивирование ) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

• обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
• управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
• управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
• управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
• предоставление пользовательского интерфейса;
• обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
• организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) .

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур . В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

• монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
• микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
• гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [ ; ]. В говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 "Архитектура Windows"), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

• системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
• пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

• текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
• графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

1. По способу организации вычислений:
   • системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
   • системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
   • системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
2. По типу ядра:
   • системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
   • системы с микроядром (microkernel operating systems);
   • системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
3. По количеству одновременно решаемых задач:
   • однозадачные (single-tasking operating systems);
   • многозадачные (multitasking operating systems).
4. По количеству одновременно работающих пользователей:
   • однопользовательские (single-user operating systems);
   • многопользовательские (multi-user operating systems).
5. По количеству поддерживаемых процессоров:
   • однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
   • многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
6. По поддержке сети:
   • локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
   • сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
7. По роли в сетевом взаимодействии:
   • серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
   • клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
8. По типу лицензии:
   • открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
   • проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
9. По области применения:
   • операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
   • операционные системы серверов (server operating systems);
   • операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
   • операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
   • встроенные операционные системы (embedded operating systems);
   • операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

Требования к операционным системам

Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные :

• расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
• переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
• совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
• надежность – вероятность безотказной работы системы;
• производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

Резюме

В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию "операционная система".
2. Назовите примеры прикладного, инструментального и системного программного обеспечения.
3. Дайте определение понятий "системный вызов", "API", "драйвер", "ядро".
4. Какие виды ядер вы знаете? К каким видам относятся ядра известных вам операционных систем?
5. Чем ядро отличается от операционной системы?
6. Приведите несколько способов классификации операционных систем.
7. Назовите требования к современным операционным системам и объясните, что они означают.