Функции операционных систем персональных компьютеров (Виды операционных систем)

Содержание:

Введение

Современный компьютер состоит из одного или нескольких процессоров, операционной памяти, дисков, принтера, клавиатуры, мыши, дисплея, сетевых интерфейсов и других разнообразных устройств ввода-вывода. В итоге получается довольно сложная система. Управление всеми этими компонентами и их оптимальное использование представляет собой очень непростую задачу. По этой причине компьютеры оснащены специальным уровнем программного обеспечения, который называется операционной системой, в чью задачу входит управление пользовательскими программами, а также всеми ранее упомянутыми ресурсами.

Операционная система – наиболее фундаментальная часть программного обеспечения, работающая в режиме ядра (этот режим называют еще режимом супервизора). В этом режиме она имеет полный доступ ко всему аппаратному обеспечению и может задействовать любую инструкцию, которую машина в состоянии выполнить. Вся остальная часть программного обеспечения работает в режиме пользователя, в котором доступно лишь подмножество инструкций машины. В частности, программам, работающим в режиме пользователя, запрещено использование инструкций, управляющих машиной или осуществляющих операции ввода-вывода. Различия между режимами ядра и пользователя оказывают решающее влияние на порядок работы операционной системы.

История развития операционных систем насчитывает уже много лет. Они появились и развивались в процессе конструирования компьютеров.

1. Что такое операционная система?

Дать точное определение операционной системы довольно трудно. Можно сказать, что это программное обеспечение, которое работает в режиме ядра, но и это утверждение не всегда будет соответствовать истинному положению вещей. Отчасти проблема здесь в то, что операционные системы осуществляют две значительно отличающиеся друг от друга функции: предоставляют прикладным программистам (и прикладным программам, естественно) вполне понятный абстрактный набор ресурсов взамен неупорядоченного набора аппаратного обеспечения и управляют этими ресурсами. В зависимости от того, кто именно ведет разговор, можно услышать больше о первой или о второй из них.

Современные операционные системы допускают одновременную работу нескольких программ. Представим, что будет, если три программы, работающие на одном и том же компьютере, попытаются распечатать свои выходные данные одновременно на одном и том же принтере. Первые несколько строчек распечатки могут быть от программы № 1, следующие несколько строчек – от программы № 2, затем несколько строчек от программы № 3 и т.д. в результате получится полный хаос. Операционная система призвана навести порядок в потенциально возможном хаосе за счет буферизации на диске всех выходных данных, предназначенных для принтера. После того как одна программа закончит свою работу, операционная система сможет скопировать ее выходные с файла на диске, где они были сохранены, на принтер, а в то же самое время другая программа может продолжить генерацию данных, не замечая того, что выходные данные фактически (до поры до времени) не попадают на принтер.

1.1. Виды операционных систем

Операционные системы мейнфреймов

К высшей категории относятся операционные системы мейнфреймов – компьютеров, занимающих целые залы и до сих пор еще встречающихся в крупных центрах обработки корпоративных данных.

Операционные системы мейнфреймов ориентированы преимущественно на одновременную обработку множества заданий, большинство из которых требует колоссальных объемов ввода-вывода данных. Обычно они предлагают три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций и работу в режиме разделения времени. Пакетная обработка – это одна из систем обработки стандартных заданий без участия пользователей. В пакетном режиме осуществляется обработка исков в страховых компаниях или отчетов о продажах сети магазинов. Системы обработки транзакций справляются с большим количеством мелких запросов, к примеру обработкой чеков в банках или бронированием авиабилетов. Каждая элементарная операция невелика по объему, но система может справляться с сотнями и тысячами операций в секунду. Работа в режиме разделения времени дает возможность множеству удаленных пользователей одновременно запускать на компьютере свои задания, например запросы к большой базе данных. Все эти функции тесно связаны друг с другом, и зачастую операционные системы универсальных машин выполняют их в комплексе. Примером операционной системы универсальных машин может послужить OS/390, наследница OS/360. Однако эти операционные системы постепенно вытесняются вариантами операционной системы UNIX, например Linux.

Серверные операционные системы

Чуть ниже по уровню стоят серверные операционные системы. Они работают на серверах, которые представлены очень мощными персональными компьютерами, рабочими станциями или даже универсальными машинами. Они одновременно обслуживают по сети множество пользователей, обеспечивая им общий доступ к аппаратным и программным ресурсам. Серверы могут предоставлять услуги печати, хранения файлов или веб-служб. Интернет-провайдеры для обслуживания своих клиентов обычно задействуют сразу несколько серверных машин. При обслуживании веб-сайтов серверы хранят веб-страницы и обрабатывают поступающие запросы. Типичными представителями серверных операционных систем являются Solaris, FreeBSD, Linux и Windows Server201x.

Многопроцессорные операционные системы

Сейчас все шире используется объединение множества центральных процессоров в единую систему, что позволяет добиться вычислительной мощности, достойной высшей лиги. В зависимости от того, как именно происходит это объединение, а также каковы ресурсы общего пользования, зти системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Им требуются специальные операционные системы, в качестве которых часто применяются особые версии серверных операционных систем, оснащенных специальными функциями связи, сопряжения и синхронизации.

С недавним появлением многоядерных процессоров для персональных компьютеров операционные системы даже обычных настольных компьютеров и ноутбуков стали работать по меньшей мере с небольшой многопроцессорной системой. На многопроцессорных системах могут работать многие популярные системы, включая Windows и Linux.

Операционные системы персональных компьютеров

Все современные персональные компьютеры поддерживают многозадачный режим. При этом довольно часто уже в процессе загрузки на одновременное выполнение запускаются десятки программ. Задачей операционных систем персональных компьютеров является качественная поддержка работы отдельного пользователя. Они широко используются для обработки текстов, создания электронных таблиц, игр и доступа к Интернету. Типичными примерами могут служить операционные системы Linux, FreeBSD, Windows 7, Windows 8 и OS X компании Apple.

Операционные системы карманных персональных компьютеров

Карманные персональные компьютеры, изначально известные как КПК, или PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой секретарь), представляют собой небольшие компьютеры, которые во время работы держат в руках. Самыми известными их представителями являются смартфоны и планшеты. Здесь доминируют операционные системы Android от Google и iOS от Apple, но и у них имеется множество конкурентов. Большинство таких устройств могут похвастаться многоядерными процессорами, GPS, камерами и другими датчиками, достаточным объемом памяти и сложными операционными системами.

Встроенные операционные системы

Встроенные системы работают на компьютерах, которые управляют различными устройствами. Поскольку на этих системах установка пользовательских программ не предусматривается, их обычно компьютерами не считают. Примерами устройств, где устанавливаются встроенные компьютеры, могут послужить микроволновые печи, телевизоры, автомобили, пишущие DVD, обычные телефоны и MP3-плееры. В основном встроенные системы отличаются тем, что на них ни при каких условиях не будет работать стороннее программное обеспечение. Наиболее популярными в этой области считаются операционные системы Embedded Linux, QNX и VxWorks.

Операционные системы сенсорных узлов

Сети, составленные из миниатюрных сенсорных узлов, связанных друг с другом и с базовой станцией по беспроводным каналам. Такие сенсорные сети используются для защиты периметров зданий, охраны государственной границы, измерения температуры и уровня осадков в целях составления прогнозов погоды.

Узлы такой сети представляют собой миниатюрные компьютеры, питающиеся от батареи и имеющие встроенную радиосистему. Они ограничены по мощности и должны работать длительный период времени в необслуживаемом режиме на открытом воздухе, часто в сложных климатических условиях.

Каждый сенсорный узел является настоящим компьютером, оснащенным процессором, оперативной памятью и постоянным запоминающим устройством, а также одним или несколькими датчиками. На нем работает небольшая, но настоящая операционная система. Примером широко известной операционной системы для сенсорных узлов может послужить TinyOS.

Операционные системы реального времени

Еще одна разновидность операционных систем – это системы реального времени. Эти системы характеризуются тем, что время для них является ключевым параметром. Например, в системах управления производственными процессами компьютеры, работающие в режиме реального времени, должны собирать сведения о процессе и использовать их для управления станками на предприятии. Если операция должна быть проведена точно в срок, то мы имеем дело с системой жесткого реального времени. Множество подобных систем встречаются при управлении производственными процессами, в авиационно-космическом электронном оборудовании, в военной и других подобных областях применения.

Другой разновидностью подобных систем является система мягкого реального времени, в которой хотя и нежелательно, но вполне допустимо несоблюдение срока какого-нибудь действия, что не наносит непоправимого вреда. К этой категории относятся цифровые аудио- или мультимедийные системы. Смартфоны также являются системами мягкого реального времени.

Поскольку к системам реального времени предъявляются очень жесткие требования, иногда операционные системы представляют собой простую библиотеку, сопряженную с прикладными программами, где все тесно взаимосвязано и между частями системы не существует никакой защиты. Примером такой системы может послужить eCos.

Операционные системы смарт-карт

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах. Смарт-карта представляет собой устройство размером с кредитную карту, имеющее собственный процессор. На операционные системы для них накладываются очень жесткие ограничения по требуемой вычислительной мощности процессора и объему памяти.

1.2. Понятия операционной системы

Процессы

Ключевым понятием всех операционных систем является процесс. Процессом, по существу, является программа во время ее выполнения. С каждым процессом связано его адресное пространство – список адресов ячеек памяти от нуля до некоторого максимума, откуда процесс может считывать данные и куда может записывать их. Адресное пространство содержит выполняемую программу, данные этой программы и ее стек. Кроме этого, с каждым процессом связан набор ресурсов, который обычно включает регистры (в том числе счетчик и указатель стека), список открытых файлов, необработанные предупреждения, список связанных процессов и всю остальную информацию, необходимую в процессе работы программы. Таким образом, процесс – это контейнер, в котором содержится вся информация, необходимая для работы программы.

Рассмотрим систему, работающую в мультипрограммном режиме. Пользователь может запустить программу редактирования видео и указать конвертирование одногочасового видеофайла в какой-нибудь определенный формат (процесс займет несколько часов), а затем переключиться на блуждания по Интернету. При этом может заработать фоновый процесс, который периодически «просыпается» для проверки входящей электронной почты. И у нас уже будет (как минимум) три активных процесса: видеоредактор, веб-браузер и программа получения (клиент) электронной почты. Периодически операционная система будет принимать решения остановить работу одного процесса и запустить выполнение другого, возможно, из-за того, что первый исчерпал свою долю процессорного времени в предыдущую секунду или две.

Если процесс приостанавливается таким образом, позже он должен возобновиться именно с того состояния, в котором был остановлен. Это означает, что на период приостановки вся информация о процессе должна быть явным образом где-то сохранена. Например, у процесса могут быть одновременно открыты для чтения несколько файлов, с каждым из этих файлов связан указатель текущей позиции (то есть номер байта или записи, которая должна быть считана следующей). Когда процесс приостанавливается, все эти указатели должны быть сохранены, чтобы вызов read, выполняемый после возобновления процесса, приводил к чтению нужных данных. Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, за исключением содержимого его собственного адресного пространства, хранится в таблице операционной системы, которая называется таблицей процессов и представляет собой массив (или связанный список) структур, по одной на каждый из существующих на данный момент процессов.

Таким образом, процесс (в том числе приостановленный) состоит из собственного адресного пространства, которое обычно называют образом памяти, и записи в таблице процессов с содержимым его регистров, а также другой информацией, необходимой для последующего возобновления процесса.

Если процесс способен создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы в свою очередь могут создавать собственные дочерние процессы, то перед нами предстает дерево процессов. Связанные процессы, совместно работающие над выполнением какой-нибудь задачи, зачастую нуждаются в обмене данными друг с другом и синхронизации своих действий. Такая связь называется межпроцессорным взаимодействием.

Адресные пространства

Каждый компьютер обладает объемом оперативной памяти, используемой для хранения исполняемых программ. В самых простых операционных системах в памяти присутствует только одна программа. Для запуска второй программы сначала нужно удалить первую, а затем на ее место загрузить в память вторую.

Более изощренные операционные системы позволяют одновременно находиться в памяти нескольким программам. Чтобы исключить взаимные помехи (и помехи работе операционной системы), нужен какой-то защитный механизм. Несмотря на то, что этот механизм должен входить в состав оборудования, управляется он операционной системой.

Вышеупомянутая точка зрения связана с вопросами управления и защиты оперативной памяти компьютера. Другой, но не менее важный вопрос, связанный с памятью, – это управление адресным пространством процессов. Обычно каждому процессу отводится для использования некоторый непрерывный набор адресов, как правило, с нуля и до некоторого максимума. В простейшем случае максимальный объем адресного пространства, выделяемого процессу, меньше объема оперативной памяти. Таким образом, процесс может заполнить свое адресное пространство и для его размещения в оперативной памяти будет достаточно места.

При этом на многих компьютерах используется 32- или 64-разрядная адресация, позволяющая иметь адресное пространство размером 2³² или 2⁶⁴ байт соответственно. Что произойдет, если адресное пространство процесса превышает объем оперативной памяти, установленной на компьютере, а процессу требуется использовать все свое пространство целиком? На первых компьютерах такой процесс неизменно терпел крах. В наше время существует технология виртуальной памяти, при которой операционная система хранит часть адресного пространства в оперативной памяти, а часть – на диске, по необходимости меняя их фрагменты местами. По сути, операционная система создает абстракцию адресного пространства в виде набора адресов, на которые может ссылаться процесс. Адресное пространство отделено от физической памяти машины и может быть как больше, так и меньше нее. Управление адресными пространствами и физической памятью является важной частью работы операционной системы.

Файлы

Другим ключевым понятием, поддерживаемым практически всеми операционными системами, является файловая система. Основная функция операционной системы – скрыть специфику дисков и других устройств ввода-вывода и предоставить программисту удобную и понятную абстрактную модель, состоящую из независимых от устройств файлов. Вполне очевидно, что для создания, удаления, чтения и записи файлов понадобятся системные вызовы. Перед тем как файл будет готов к чтению, он должен быть найден на диске и открыт, а после считывания – закрыт. Для проведения этих операций предусмотрены системные вызовы.

Чтобы предоставить место для хранения файлов, многие операционные системы персональных компьютеров используют каталог как способ объединения файлов в группы. Например, у студента может быть по одному каталогу для каждого изучаемого курса, каталог для электронной почты и еще один – для своей домашней веб-страницы. Для создания и удаления каталогов нужны системные вызовы. Они нужны для помещения в каталог существующего файла и удаления его оттуда. Элементами каталога могут быть либо файлы, либо другие каталоги.

Иерархии файлов, как и иерархии процессов, организованы в виде деревьев. Но на этом их сходство заканчивается. Иерархии процессов не отличаются глубиной (обычно не более трех уровней), а иерархии файлов обычно имеют глубину в четыре, пять и более уровней. Иерархии процессов имеют короткий период существования, в большинстве своем не более нескольких минут, а иерархия каталогов может существовать годами. Определение принадлежности и меры защиты процессов и файлов также имеют различия. Обычно только родительский процесс может управлять дочерним процессом или даже обращаться к нему, но практически всегда существуют механизмы, позволяющие читать файлы и каталоги не только их владельцу, но и более широкой группе пользователей.

Каждый файл, принадлежащий иерархии каталогов, может быть обозначен своим полным именем с указанием пути к файлу, начиная с вершины иерархии – корневого каталога. Этот абсолютный путь состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога, чтобы добраться до файла, где в качестве разделителей компонентов служат символы косой черты (слеша).

Ввод-вывод данных

У всех компьютеров имеются физические устройства для получения входной и вывода выходной информации. Действительно, какой будет прок от компьютера, если пользователи не смогут поставить ему задачу и получить результаты по завершении заданной работы? Существует масса разнообразных устройств ввода-вывода: клавиатуры, мониторы, принтеры и т.д. Управление всеми этими устройствами возлагается на операционную систему.

Поэтому у каждой операционной системы для управления такими устройствами существует своя подсистема ввода-вывода. Некоторые программы ввода-вывода не зависят от конкретного устройства, то есть в равной мере подходят для применения со многими устройствами ввода-вывода. Другая часть программ, например драйверы устройств, предназначена для определенных устройств ввода-вывода.

Безопасность

Компьютеры содержат большой объем информации, и часто пользователям нужно защитить ее и сохранить ее конфиденциальность. Возможно, это электронная почта, бизнес-планы, налоговые декларации и многое другое. Управление безопасностью системы возлагается на операционную систему: например, она должна обеспечить доступ к файлам только пользователям, имеющим на это право.

Кроме защиты файлов существует множество других аспектов безопасности. Один из них – это защита системы от нежелательных вторжений как с участием, так и без участия людей (например, путем вирусных атак).

1.3. Структура операционной системы

Монолитные системы

Несомненно, такая организация операционной системы является самой распространенной. Здесь вся операционная система работает как единая программа в режиме ядра. Операционная система написана в виде набора процедур, связанных вместе в одну большую исполняемую программу. При использовании этой технологии каждая процедура может свободно вызвать любую другую процедуру, если та выполняет какое-нибудь полезное действие, в котором нуждается первая процедура. Возможность вызвать любую нужную процедуру приводит к весьма высокой эффективности работы системы, но наличие нескольких тысяч процедур, которые могут вызывать друг друга сколь угодно часто, нередко делает ее громоздкой и непонятной. Кроме того, отказ в любой из этих процедур приведет к аварии всей операционной системы.

Для построения исполняемого файла монолитной системы необходимо сначала скомпилировать все отдельные процедуры (или файлы, содержащие процедуры), а затем связать их вместе, воспользовавшись системным компоновщиком. Здесь, по существу, полностью отсутствует сокрытие деталей реализации – каждая процедура видна любой другой процедуре (в отличие от структуры, содержащей модули или пакеты, в которых основная часть информации скрыта внутри модулей и за пределами модуля его процедуры можно вызвать только через специально определяемые точки входа).

Тем не менее, даже такие монолитные системы могут иметь некоторую структуру. Службы (системные вызовы), предоставляемые операционной системой, запрашиваются путем помещения параметров в четко определенное место (например, в стек), а затем выполняется инструкция trap. Эта инструкция переключает машину из пользовательского режима в режим ядра и передает управление операционной системе. Затем операционная система извлекает параметры и определяет, какой системный вызов должен быть выполнен.

Такая организация предполагает следующую базовую структуру операционной системы:

1. Основная программа, которая вызывает требуемую служебную процедуру;
2. Набор служебных процедур, выполняющих системные вызовы;
3. Набор вспомогательных процедур, содействующих работе служебных программ.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна ответственная за него служебная процедура, которая его и выполняет. Вспомогательные процедуры выполняют действия, необходимые нескольким служебным процедурам, в частности извлечение данных из пользовательских программ. Таким образом, процедуры делятся на три уровня.

В дополнение к основной операционной системе, загружаемой во время запуска компьютера, многие операционные системы поддерживают загружаемые расширения, в числе которых драйверы устройств ввода-вывода и файловые системы. Эти компоненты загружаются по мере надобности. В UNIX они называются библиотеками общего пользования. В Windows они называются DLL-библиотеками (Dynamic-Link Libraries – динамически подключаемые библиотеки). Они находятся в файлах с расширениями имен .dll, и в каталоге C:\Windows\system32 на системе Windows их более 1000.

Многоуровневые системы

Обобщение подхода, описанного выше, является организация операционной системы в виде иерархии уровней, каждый из которых является надстройкой над нижележащим уровнем. Первой системой, построенной таким образом, была система THE, созданная в Technische Hogeschool Eindhoven в Голландии Э. Дейкстрой (E.W. Dijkstra) и его студентами в 1968 году. Система THE была простой пакетной системой для голландского компьютера Electrologica X8, имевшего память 32К 27-пазрядных слов. У системы было шесть уровней. Уровень 0 занимался распределением ресурса процессора (процессорного времени), переключением между процессами при возникновении прерываний или истечении времени таймера. Над уровнем 0 система состояла из последовательных процессов, каждый из которых мог быть запрограммирован без учета того, что несколько процессов были запущены на одном процессоре. Иными словами, уровень 0 обеспечивал основу многозадачности центрального процессора.

Уровень 1 управлял памятью. Он выделял процессам пространство в основной памяти и на магнитном барабане емкостью 512К слов, который использовался для хранения частей процесса (страниц), не умещавшихся в оперативной памяти. Программное обеспечение уровня 1 обеспечивает помещение страниц в память в то время, когда они необходимы, и удаление их из памяти, когда они не нужны.

Уровень 2 управлял связью каждого процесса с консолью оператора (то есть с пользователем). Над этим уровнем каждый процесс фактически имел собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизацией информационных потоков в обоих направлениях. Над третьим уровнем каждый процесс мог работать с абстрактными устройствами ввода-вывода, имеющими определенные свойства. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться о процессах, памяти, консоли или управлении вводом-выводом. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

Микроядра

При использовании многоуровневого подхода разработчикам необходимо выбрать, где провести границу между режимами ядра и пользователя. Традиционно все уровни входили в ядро, но это было не обязательно. Существуют очень весомые аргументы в пользу того, чтобы в режиме ядра выполнялось как можно меньше процессов, поскольку ошибки в ядре могут вызвать немедленный сбой системы. Для сравнения: пользовательские процессы могут быть настроены на обладание меньшими полномочиями, чтобы их ошибки не носили фатального характера.

Замысел, положенный в основу конструкции микроядра, направлен на достижение высокой надежности за счет разбиения операционной системы на небольшие, вполне определенные модули. Только один из них – микроядро запускается в режиме ядра, а все остальные запускаются в виде относительно слабо наделенных полномочиями обычных пользовательских процессов. В частности, если запустить каждый драйвер устройства и файловую систему как отдельные пользовательские процессы, то ошибка в одном из них может вызвать отказ соответствующего компонента, но не сможет вызвать сбой всей системы. Таким образом, ошибка в драйвере звукового устройства приведет к искажению или пропаданию звука, но не вызовет зависания компьютера. В отличие от этого в монолитной системе, где все драйверы находятся в ядре, некорректный драйвер звукового устройства может запросто сослаться на неверный адрес памяти и привести систему к немедленной вынужденной остановке.

Клиент-серверная модель

Небольшая вариация идеи микроядер выражается в обособлении двух классов процессов: серверов, каждый из которых предоставляет какую-нибудь службу, и клиентов, которые пользуются этими службами. Эта модель известна как клиент-серверная.

Связь между клиентами и серверами часто организуется с помощью передачи сообщений. Чтобы воспользоваться службой, клиентский процесс составляет сообщение, в котором говорится, что именно ему нужно, и отправляет его соответствующей службе. Затем служба выполняет определенную работу и отправляет обратно ответ.

Становится все больше и больше систем, привлекающих пользователей, сидящих за домашними компьютерами, в качестве клиентов, а большие машины, работающие где-нибудь в другом месте, – в качестве серверов. Фактически по этой схеме работает большая часть Интернета. Персональные компьютеры отправляют запросы на получение веб-страницы на сервер, и эта веб-страница им возвращается. Это типичная картина использования клиент-серверной модели при работе в сети.

2. Функции операционных систем персональных компьютеров

2.1. Процессы

Рассмотрим персональный компьютер. При запуске системы запускается множество процессов, о которых пользователь зачастую даже и не подозревает. Например, может быть запущен процесс, ожидающий входящей электронной почты. Другой запущенный процесс может принадлежать антивирусной программе и предназначаться для периодической проверки доступности определений каких-нибудь новых вирусов. В дополнение к этому могут быть запущены процессы, инициированные пользователем в явном виде, – печать файлов или сброс пользовательских фотографий на USB-накопитель, и все они работают одновременно с браузером, с помощью которого пользователь просматривает Интернет. Всей этой работой нужно управлять, и здесь нам очень пригодится многозадачная система, поддерживающая работу нескольких процессов.

В любой многозадачной системе центральный процессор быстро переключается между процессами, предоставляя каждому из них десятки или сотни миллисекунд. При этом, хотя в каждый конкретный момент времени центральный процессор работает только с одним процессом, в течение 1 секунды он может успеть поработать с несколькими из них, создавая иллюзию параллельной работы. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме в отличие от настоящего аппаратного параллелизма в многопроцессорных системах (у которых имеется не менее двух центральных процессоров, использующих одну и ту же физическую память).

Процесс – это своего рода действия. У него есть программа, входные и выходные данные и состояние. Один процессор может совместно использоваться несколькими процессами в соответствии с неким алгоритмом планирования, который используется для определения того, когда остановить один процесс и обслужить другой. В отличие от процесса программа может быть сохранена на диске и вообще ничего не делать.

Операционным системам необходим какой-нибудь способ для создания процессов. В самых простых системах или в системах, сконструированных для запуска только одного приложения, появляется возможность присутствия абсолютно всех необходимых процессов при вводе системы в действие. Но в универсальных системах нужны определенные способы создания и прекращения процессов по мере необходимости.

Существуют четыре основных события, приводящих к созданию процессов:

1. Инициализация системы;
2. Выполнение работающим процессом системного вызова, предназначенного для создания процесса;
3. Запрос пользователя на создание нового процесса;
4. Инициация пакетного задания.

При запуске операционной системы создаются, как правило, несколько процессов. Некоторые из них представляют собой высокоприоритетные процессы, то есть процессы, взаимодействующие с пользователями и выполняющие для них определенную работу. Остальные являются фоновыми процессами, не связанными с конкретными пользователями, но выполняющими ряд специфических функций.

После создания процесс начинает работать и выполняет свою задачу. Но ничто не длится вечно, даже процессы. Рано или поздно новые процессы будут завершены, обычно в силу следующих обстоятельств:

• обычного выхода (добровольно);
• выхода при возникновении ошибки (добровольно);
• выхода при возникновении фатальной ошибки (принудительно);
• уничтожения другим процессом (принудительно).

В некоторых системах, когда процесс порождает другой процесс, родительский и дочерний процессы продолжают оставаться определенным образом связанными друг с другом. Дочерний процесс может и сам создать какие-нибудь процессы, формируя иерархию процессов.

Процесс может находиться в трех состояниях:

• выполняемый (в данный момент использующий центральный процессор);
• готовый (работоспособный, но временно приостановленный, чтобы дать возможность выполнения другому процессу);
• заблокированный (неспособный выполняться, пока не возникнет какое-нибудь внешнее событие).

Для реализации процессов операционная система ведет таблицу, называемую таблицей процессов, в которой каждая запись соответствует какому-нибудь процессу. Эти записи содержат важную информацию о состоянии процесса, включая счетчик команд, указатель стека, распределение памяти, состояние открытых им файлов, его учетную и планировочную информацию и все остальное, касающееся процесса, что должно быть сохранено, когда процесс переключается из состояния выполнения в состояние готовности или блокировки, чтобы позже он мог возобновить выполнение, как будто никогда не останавливался.

2.2. Управление памятью

Память представляет собой очень важный ресурс, требующий четкого управления. Подсистема управления памятью производит распределение физической памяти между всеми существующими в системе процессами, загрузку и удаление программных кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, а также защиту областей памяти каждого процесса. Стратегия управления памятью складывается из стратегий выборки, размещения и замещения блока программы или данных в основной памяти. Соответственно используются различные алгоритмы, определяющие, когда загрузить очередной блок в память, в какое место памяти его поместить и какой блок программы или данных удалить из основной памяти, чтобы освободить место для размещения новых блоков. Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных операционных системах является виртуальная память. Реализация механизма виртуальной памяти позволяет программисту считать, что в его распоряжении имеется однородная оперативная память, объем которой ограничивается только возможностями адресации, предоставляемыми системой программирования.

2.3. Управление файловой системой

Файлы являются логическими информационными блоками, создаваемыми процессами. На диске обычно содержатся тысячи или даже миллионы не зависящих друг от друга файлов. Фактически если рассматривать каждый файл как некую разновидность адресного пространства, то это будет довольно близко к истине, за исключением того, что файлы используются для моделирования диска, а не оперативной памяти.

Файлами управляет операционная система. Структура файлов, их имена, доступ к ним, их использование, защита, реализация и управление ими являются вопросами разработки операционных систем.С позиции пользователя наиболее важным аспектом файловой системы является ее представление, то есть что собой представляет файл, как файлы именуются, какой защитой обладают, какие операции разрешено проводить с файлами и т.д.

Обычно файлы хранятся на диске, поэтому управление дисковым пространством является основной заботой разработчиков файловой системы. Для хранения файла размером n байт возможно использование двух стратегий: выделение на диске n последовательных байтов или разбиение файла на несколько непрерывных блоков.

При хранении файла в виде непрерывной последовательности байтов возникает очевидная проблема: вполне вероятно, что по мере увеличения его размера потребуется его перемещение на новое место на диске. По этой причине почти все файловые системы разбивают файлы на блоки фиксированного размера, которые не нуждаются в смежном расположении.

Надежность файловой системы увеличивается за счет осуществления инкрементного архивирования и использования программы, способной устранять дефекты файловых систем. Важную роль играет производительность файловой системы, которая может быть улучшена несколькими способами, включая кэширование, опережающее чтение и размещение блоков одного файла близко друг к другу. Повысить производительность позволяют файловые системы с журнальной структурой, которые ведут запись на диск большими порциями.

2.4. Ввод-вывод информации

Операционная система управляет всеми устройствами ввода-вывода, подключенными к компьютеру. Она должна выдавать команды устройствам, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки. Также она должна предоставить простой и легкий в использовании интерфейс между устройствами и всей остальной системой.

Устройства ввода-вывода можно условно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства. К блочным относятся такие устройства, которые хранят информацию в блоках фиксированной длины, у каждого из которых есть собственный адрес. Обычно размеры блоков варьируются от 512 до 65 536 байт. Вся передача данных ведется пакетами из одного или нескольких целых (последовательных) блоков. Среди наиболее распространенных блочных устройств жесткие диски, приводы дисков и флеш-накопители USB.

Другой тип устройств ввода-вывода – символьные устройства. Они выдают или воспринимают поток символов, не относящихся ни к одной блочной структуре. Они не являются адресуемыми и не имеют никакой операции позиционирования. В качестве символьных устройств могут рассматриваться принтеры, сетевые интерфейсы, мыши (в качестве устройства-указателя) и множество других устройств, не похожих на дисковые устройства.

Устройства ввода-вывода зачастую состоят из механической и электронной составляющих. Электронный компонент называется контроллером устройства, или адаптером. На персональных компьютерах он часто присутствует в виде микросхемы на системной плате или печатной платы, вставляемой в слот расширения (PCIe). А механический компонент – само устройство. Задача контроллера состоит в преобразовании последовательного потока битов в блок байтов и коррекции ошибок в случае необходимости. Блок байтов обычно проходит первоначальную побитовую сборку в буфере, входящем в состав контроллера. После проверки контрольной суммы блока и объявления его не содержащим ошибок он может быть скопирован в оперативную память.

В качестве средства взаимодействия человека с компьютером используются клавиатура, мышь и монитор. Пользователь вводит информацию в основном с помощью клавиатуры и мыши (иногда с помощью сенсорных экранов). На персональных компьютерах клавиатура содержит микропроцессор, который обычно через специализированный порт обменивается данными с микросхемой контроллера, расположенной на системной плате (хотя сейчас все чаще клавиатура подключается к порту USB). Одно прерывание генерируется при нажатии клавиши, а второе – сразу же, как только она будет отпущена. По каждому из этих клавиатурных прерываний драйвер клавиатуры извлекает информацию о том, что именно произошло, пользуясь при этом портом ввода-вывода, связанным с клавиатурой. Число, фигурирующее в порте ввода-вывода, является номером клавиши, который называется скан-кодом. У обычных клавиатур имеется не более 128 клавиш, поэтому для представления номера клавиши хватает семи битов. Восьмой бит устанавливается в 0, когда клавишу нажимают, и в 1, когда ее отпускают. Состояние каждой клавиши (нижнее или верхнее ее положение) должен отслеживать драйвер клавиатуры.

Мышь имеется на многих персональных компьютерах. Как только мышь будет перемещена в любом направлении на определенное расстояние или ее кнопка будет нажата или освобождена, компьютеру будет отослано сообщение. Сообщение в адрес компьютера имеет три составляющие. Первая составляющая – это изменение позиции х со времени последнего сообщения. Затем следует изменение позиции у со времени последнего сообщения. И в завершение включается информация о состоянии кнопок. Формат сообщения зависит от системы и количества имеющихся кнопок.

Сенсорные экраны все чаще используют в качестве устройств ввода. Устройства с сенсорным экраном делятся на две категории: непрозрачные и прозрачные. Типичным непрозрачным устройством является сенсорная панель ноутбука. Примером прозрачного устройства может послужить сенсорный экран смартфона или планшетного компьютера. Большинство современных сенсорных экранов имеют либо емкостную, либо резистивную конструкцию.

Заключение

Проектирование операционных систем начинается с определения их задач. Интерфейс должен быть простым, полным и эффективным. Система должна быть хорошо структурированной, для чего может быть использована одна из нескольких известных технологий, таких как многоуровневые системы или архитектуры «клиент-сервер». Внутренние компоненты должны быть ортогональными друг к другу.

Производительность является важным вопросом, но следует тщательно выбирать способом оптимизации, чтобы не нарушить структуру операционной системы. Имеет смысл заниматься оптимизацией по скорости или по занимаемой памяти, кэшированием, подсказками, использовать локальность, а также оптимизировать общий случай.

Операционные системы претерпевают изменения, чтобы подстраиваться под новые веяния и отвечать новым вызовам. К ним могут относиться системы на основе гипервизоров, многоядерные системы, системы с 64-разрядным адресным пространством, мобильные компьютеры с беспроводной связью и встроенные системы. Несомненно, ближайшие годы будут весьма интересными для проектировщиков операционных систем.

Литература

1. Таненбаум Э., Бос Х. Современные операционные системы. 4-е изд. СПб. : Питер, 2018. 1120 с.

2. Партыка Т. Л., Попов И. И. Операционные системы, среды и оболочки: Учебное пособие - 5-е изд., перераб. и доп. М. : Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2014. 560 с.

3. Спиридонов Э. С. Операционные системы: Учебник. М. : Либроком, 2014. 352 с.

4. Батаев А. В., Налютин Н. Ю., Синицын С. В. и др. Операционные системы и среды: Учебник. М. : Academia, 2018. 271 c.

5. Назаров С. В., Широков А. И. Современные операционные системы: учебное пособие. М. : Бином, 2012. 367 с.

6. Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. 2-е изд., перераб. и доп. СПб. : БХВ-Петербург, 2012. 410 с.

7. Киселев С. В., Алексахин С. В., Остроух А. В. Операционные системы. СПб. : ИЦ Академия, 2013. 64 с.

8. Столлингс В. Операционные системы. М. : Вильямс, 2004. 848 c.

9. Дроздов С. Н. Операционные системы: Учебное пособие. Рн/Д : Феникс, 2018. 480 c.

10. Артамонова Н. В. Операционные системы для организации производства в промышленности: Учебное пособие. СПб. : ГУАП, 2012. 224 c.

11. Астахова И. Ф., Астанин И. К. и др. Компьютерные науки. Деревья, операционные системы, сети. М. : Физматлит, 2013. 88 c.

12. Синицын С.В. Операционные системы. – М.: Academia, 2016. 416 c.