Операционные системы
Сведения о средствах управления локальными ресурсами, представленные ниже, являются не исчерпывающими, а только наиболее необходимыми. Более детально об операционных системах см. учебник [8]. Данная глава может быть рекомендована как введение к изучению операционных систем по вышеупомянутому учебнику.
2.1. Определение, назначение и характеристики операционной системы
Операционная система (ОС) – это пакет системных программ, выполняющих управление прикладными программами и управляющих работой устройств вычислительной системы.
Назначение ОС: 1) запуск и управление работой прикладных программ и предоставление им виртуальной машины – услуг, организующих и упрощающих взаимодействие с оборудованием; 2) управление устройствами ввода-вывода и другим оборудованием.
Операционная система выполняет следующие основные системные функции по управлению локальными ресурсами компьютера:
· запуск системных и прикладных процессов и управление ими;
· управление оборудованием с помощью ввода-вывода;
· управление размещением данных в оперативной памяти;
· управление файловой системой – набором файлов и каталогов.
Для выполнения данных функций ОС имеет соответствующие подсистемы, которые описаны ниже.
По количеству одновременно выполняющихся процессов ОС подразделяются на две основные группы: однозадачные и многозадачные. Большинство современных ОС являются многозадачными.
|
|
|
По количеству одновременно работающих пользователей ОС подразделяются на однопользовательские и многопользовательские.
2.2. Управление процессами
Ниже рассматривается упрощенная схема работы персонального компьютера (рис. 7). Объяснение данной схемы является важным обобщением материала, изученного в предыдущей главе, и послужит полезным руководством для дальнейшего освоения материала.
Опишем принцип схему работы компьютерных программ. Напомним, что процессом называется компьютерная программа, запущенная на выполнение. Операционная система – это первый процесс, появляющийся в компьютере после его включения. ОС загружается (поз. 5) центральным процессором (поз. 1) автоматически с накопителя (поз. 4) в оперативную память (поз. 2). ОС загружается при запуске или перезапуске компьютера и работает непрерывно в автоматическом режиме. Работа компьютера без ОС невозможна.
При работе компьютера вся информация проходит через связующее устройство – системную шину (поз. 3). При работе компьютера центральный процессор, выполняя команды операционной системы, загружает и запускает другие программы (поз. 6), образуя многозадачную среду. По окончании работы процесса он выгружается из памяти операционной системой, освобождая место.
|
|
|
Рис. 7. Упрощенная схема работы персонального компьютера.
В многозадачных системах остро стоит вопрос исключения конфликтов при совместном использовании общих аппаратных ресурсов и областей оперативной памяти. Поэтому в многозадачных ОС существуют сложные механизмы взаимных исключений и критических секций. При запуске каждого процесса операционной системой ему отводится отдельная область оперативной памяти – адресное пространство. Другие процессы не имеют доступа к нему, чтобы не нарушить стабильность работы процесса и всей системы.
В ОС многонитевой обработки процессы могут разбиваться программистом-разработчиком на несколько нитей – отдельных частей одного процесса, выполняющихся одновременно. Это делается для повышения производительности программы. Нити процесса имеют одновременный доступ к адресному пространству этого процесса.
2.3. Организация ввода-вывода
Для понимания принципов организации ввода-вывода необходимо ознакомиться с перечнем и назначением устройств ввода-вывода, описанных в предыдущей главе.
При организации взаимодействия с устройствами используют разбиение программных средств на уровни, как показано на рис. 8. При этом выделяются пользовательский, прикладной, системный и аппаратный уровни.
|
|
|
Рис. 8. Организация ввода-вывода.
Рис. 8 – не что иное, как рисунок 1, б) в развернутом виде. Команды пользователя преобразуются прикладной программой в системные вызовы библиотек ОС. Библиотека – программа или подпрограмма, содержащая набор часто используемых функций, собранных в один файл для дальнейшего использования другими программами. Библиотеки (или ядро операционной системы) выполняют вызовы функций драйверов.
Драйвер – это системная программа, управляющая работой контроллера устройства ввода-вывода. Контрóллер – электронное устройство, управляющее исполнительными устройствами (механикой, оптикой, электроникой), которые непосредственно взаимодействуют с носителями информации. Порт – буферное устройство в составе любого контроллера, через которое осуществляется ввод и вывод информации с помощью драйвера.
2.4. Управление памятью
Чем выше скорость работы носителя информации, тем выше его стоимость в расчете на 1 Мб емкости. Каждый мегабайт емкости накопителей обходится гораздо дешевле, чем ОЗУ, поэтому жесткие диски имеют значительно больший объем. Поэтому в современных ОС широко используются технологии виртуальной памяти и кэширования. Опишем их.
|
|
|
Поскольку дорогостоящей физической оперативной памяти часто не хватает для размещения всех процессов и их данных, в современных ОС широко используется принцип виртуальной памяти. Виртуальный – значит обладающий некоторыми несуществующими на самом деле свойствами. В данном случае виртуальная память – это несуществующая оперативная память, образованная за счет жесткого диска.
Принцип заключается в следующем. Данные, к которым достаточно долго не было обращения, выгружаются системой на жесткий диск, освобождая области оперативной памяти. Таким образом, виртуальная память системы – это специальная область на диске, размер которой может быть в 2-3 раза больше размера физического ОЗУ. При необходимости ОС автоматически осуществляет перемещение данных между виртуальной и физической памятью. Полная память в системе равна сумме физической и виртуальной памяти.
Разновидностью виртуальной памяти является подкачка (свопинг) – полная выгрузка простаивающего процесса на диск вместе с его данными до момента «пробуждения» этого процесса.
Рис. 9. Принципы виртуальной памяти и кэширования.
При управлении памятью для ускорения передачи данных широко используется механизм, называемый кэшированием. Суть его состоит в том, что при передаче информации наиболее часто используемые данные помещаются в промежуточную, более быструю память. Например, при многократном обращении процессора к одним и тем же данным на диске они запоминаются в специальной области оперативной памяти. При повторном обращении уже не нужно использовать медленное механическое устройство диска для считывания данных, а достаточно считать их из оперативной памяти – более быстрого электронного устройства, не имеющего механических движущихся частей.
2.5. Файловая система
Файл – это упорядоченный набор данных на накопителе. Файл является основной единицей хранения данных на накопителях. Файлы условно подразделяются на документы, программы и различные служебные файлы. Документы, в свою очередь, подразделяются по видам информации на текстовые, графические и т. д.
Как правило, файлы имеют имя, дату и время создания, размер в байтах и некоторые другие свойства. С помощью данных свойств легко идентифицировать файлы и искать их на накопителях.
Для упорядоченного хранения файлов накопители часто разбиваются на разделы. Более мелкой структурой, в которой хранятся файлы, являются каталоги (папки).
Файловой системой называется порядок хранения данных на накопителе. Файловая система описывает формат представления файлов, каталогов и различной служебной информации на накопителях. Практически каждая ОС работает с собственной файловой системой, часто несовместимой с файловыми системами других ОС. Программное обеспечение в составе ОС для управления файлами также называется файловой системой.
2.6. Современные операционные системы и их краткие характеристики
Наиболее распространенными семействами современных ОС являются UNIX/Linux, Windows и Windows NT.
UNIX – одна из наиболее старых, тем не менее, очень производительная и надежная ОС. Её клоны (варианты) для персональных компьютеров – Linux, FreeBSD и OpenBSD – становятся все более популярным благодаря традиционной для UNIX скорости и отказоустойчивости, а также дешевизне и открытости исходных текстов программ, составляющих систему. Клоны UNIX применяются чаще всего для больших машин, серверов, и популярны среди системных администраторов и разработчиков программного обеспечения.
Семейство Windows представляет собой распространенные пользовательские ОС. Они сочетают в себе удобство, простоту и скорость работы. Основные представители данного семейства – Windows 95, Windows 98. Из-за невысокой надежности эти ОС постепенно сменяются системами следующего семейства.
ОС Windows NT сочетают в себе удобство и простоту использования Windows и стабильность серверных операционных систем. Представителями данного семейства являются Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP, Windows.NET Server.
Рассмотрим вопросы совместимости. Как и любая другая программа, ОС, написанная для одной аппаратной платформы, не может быть непосредственно запущена на компьютере аппаратно несовместимой платформы. Программа, разработанная для ОС одного семейства, довольно часто не может быть непосредственно запущена на ОС другого семейства. Поэтому ОС программно совместимы полностью или только частично.
На этом кратком обзоре заканчивается рассмотрение локальных характеристик вычислительных систем и начинается освещение вопросов, связанных с передачей информации между компьютерами.
Вопросы и задания
1) Определение и назначение операционной системы.
2) Опишите схему работы компьютера с точки зрения выполнения процессов.
3) Осветите назначение основных уровней схемы организации ввода-вывода. Какую роль играет ОС в процессе ввода-вывода?
4) Зачем, по-вашему, в компьютере одновременно используются противоположные по принципу работы механизмы виртуальной памяти и кэширования?
5) Перечислите основные семейства современных операционных систем и их характеристики.
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 15; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!