Операционные системы

Список литературы

Э.Таненбаум
Современные операционные системы
Питер, СПб., 3-изд., 2010
Д. В.

Список литературы

А. А. Стахнов
Linux
СПб.: БХВ-Петербург, 2-е изд., 2007
Т.

Компьютеры повсюду
в вашем кармане
в вашей микроволновой печи
в космосе
У нас есть оборудование

Цели

Фундаментальное понимание об оборудовании ПК и ОС
с момента загрузки
… до управления

Предмет изучения

Основные точки зрения:
ОС, как виртуальная машина
С помощью простых и ясных

Предмет изучения

Основные точки зрения:
ОС, как защитник пользователей и программ
Обеспечивает сохранность данных

Предмет изучения

Операционная система: (Operating System) – ПО, управляющее ресурсами аппаратного обеспечения

Основные компоненты ОС:
Ядро (kernel) – предоставляет базовый уровень управления аппаратными

Функции/компоненты ядра
поддержка исполнения программ;
прерывания;
режимы исполнения (защищённый.супервизора);
управление памятью
виртуальная память
многозадачность
драйверы устройств

История операционных систем

История операционных систем

Hardware и software эволюционируют совместно, влияя друг на друга.
Критерии

История операционных систем

1-й период (1945-1955): Электронные лампы и коммутационные панели

1-й период (1945-1955)

ОС отсутствуют
Июнь 1945 – принципы Джона фон Неймана
Программирование только

1-й период (1945-1955)

ОС отсутствуют
организация вычислительного процесса выполнялась программистом с пульта управления
за

1-й период (1945-1955)

ОС отсутствуют
Одновременно выполняется только одна операция
1-е системное ПО:
1951-52

История операционных систем

2-й период (1955-1965): Транзисторы и системы пакетной обработки

2-й период (1955-1965)

Новая элементная база – транзисторы:
Повышение надежности ВТ
Снижение энергопотребления
Упрощение систем

2-й период (1955-1965)

Бурное развитие алгоритмических языков (Algol-58, Lisp, Cobol, Algol-60, PL-1,…),

2-й период (1955-1965)

Вычислительным процессом управляют системы пакетной обработки, имеющие формализованный язык

2-й период (1955-1965): Транзисторы и системы пакетной обработки

История операционных систем

3-й период (1965-1980): Компьютеры на основе интегральных микросхем (ИМС)

3-й период (1965-1980)

Переход от транзисторов к ИМС:
ВТ становится надежной и дешевой
Решаются

3-й период (1965-1980)

«Бутылочное горлышко» – низкая скорость УВВ: решение ⇒ буферизация

3-й период (1965-1980)

Реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС:
мультипрограммирование;
поддержка

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование (многозадачность)
Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор выполняет

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование
Аппаратная поддержка:
Защитные механизмы: (привилегированные и непривилегированные команды)
Прерывания
Внешние – (асинхронное

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование
Для реализации потребовалось создание системы распределения памяти, когда каждая

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование привело к изменению ОС:
Системные вызовы, как интерфейс между

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование привело к изменению ОС:
Стратегии управления памятью
Средства коммуникации и

3-й период (1965-1980)

Мультипрограммирование привело к появлению систем разделения времени (time-sharing –системы),
Процессор

3-й период (1965-1980)

Системы разделения времени
Многопользовательский режим
Механизм виртуальной памяти
Развитые файловые системы
Одна из

3-й период (1965-1980)

Множество разновидностей несовместимых UNIX, основные:
System V корпорации AT&T;

3-й период (1965-1980)

Стандарт POSIX переделяет минимальный интерфейс системного вызова, который должны

История операционных систем

4-й период (1980-настоящее время): Персональные компьютеры. Классические, сетевые и

4-й период (1980 по настоящее время)

БИС (большая интегральная система)
Возрастание степени интеграции
Очередное

4-й период (1980 по настоящее время)

MS DOS (начало 80-х гг.) –

4-й период (1980 по настоящее время)

Сетевая операционная система – не имеет

4-й период (1980 по настоящее время)

Распределенная ОС – представляется пользователям традиционной

4-й период (1980 по настоящее время)

WINDOWS NT (New Technology – 1993

История развития ОС – выводы

Основные функции классических ОС
Планирование заданий
Средства коммуникации и

Основные понятия и концепции ОС

Основные понятия и концепции ОС

Системные вызовы (обеспечивают взаимодействие ОС с прикладной

Основные понятия и концепции ОС

Системные вызовы

Системные вызовы

System calls – интерфейс между ОС и прикладной программой
Создают, используют

Системные вызовы - POSIX

В POSIX более 100 системных вызовов
fork

Системные вызовы - POSIX

В POSIX существует более 100 системных вызовов:
mkdir

Системные вызовы

Системные вызовы в Windows – интерфейс прикладного программирования Win

Системные вызовы - Win API

CreateProcess (fork) - создание нового процесса
ExitProcess (exit)

Системные вызовы - Win API

WriteFile (write) - пишет данные из буфера

Основные понятия и концепции ОС

Прерывания

Прерывания

Hardware interrupt – событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством
Например,

Прерывания

Hardware interrupt – событие, генерируемое внешним устройством:
Прерывания таймера
Планирование процессов
Асинхронное событие

Основные понятия и концепции ОС

Исключительные ситуации

Исключительные ситуации

Exception – возникает в результате выполнения программой недопустимой операции, например:
доступ

Исключительные ситуации

Exception – в отличие от прерываний – это синхронные события,

Основные понятия и концепции ОС

Файлы

Файлы

Файл (file) – часть пространства на носителе информации, имеющая имя
Файловая

Файлы

Файловая система (file system) – включает:
Системные вызовы для работы с файлами
Понятия

Основные понятия и концепции ОС

Процессы и нити

Процессы и нити

Процесс – наиболее фундаментальная концепция в ОС
Основная задача ОС

Процессы и нити

Нити (потоки, threads)
Поток (нить) – последовательность команд, выполняемых

Архитектура операционных систем

Архитектура ОС

Состав модулей (компонент) ОС
Структура связей между отдельными модулями ОС
Принципы взаимодействия

Типы архитектур

Монолитная архитектура
Многослойная архитектура
Микроядерная архитектура
и др.

Монолитная архитектура

Нет разделения на отдельные модули
Модули ОС сильно связаны
Затруднены обновление, разработка

Монолитная архитектура

Каждая процедура может вызывать любую другую
Все процедуры работают в привилегированном

Монолитная архитектура

ОС = ядро

точки входа в ядро – системные вызовы

Привилегированный режим

Программа

Монолитная архитектура

Структура системы:

Монолитная архитектура

Структура системы:
Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.
Набор сервисных процедур,

ОС с ядром

Выделяется специальный модуль – ядро
Для выполнения дополнительных задач используются

Функции ядра

Внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса
Создание прикладной программной среды (предоставление API-функций

Особенности реализации ядра

Ядро реализует только основные функции ОС
При реализации ядра важна

Виды вспомогательных модулей

Утилиты ОС
Системные обрабатывающие программы (СОП)
Программы предоставления пользователю дополнительных услуг
Библиотеки

Особенности реализации вспомогательных модулей

Реализуются в виде дополнительных программ или библиотек
Загружаются в

Достоинства ОС с ядром

Легкая расширяемость
Возможность обеспечения защиты системного программного кода и

Ядро в привилегированном режиме

Повышение привилегий основной части ОС по сравнению со

Привилегированный режим

Содержит модули, выполняющие критические функции (ядро)
Содержит модули, реализующие прямые обращения

Пользовательский режим

Для выполнения вспомогательных модулей ОС
Для выполнения приложений пользователя
Обеспечивает защиту областей

Особенности выполнения приложений в пользовательском режиме

Работа приложения

Системный вызов

Работа ядра

Время переключения режимов

Работа

Многослойная структура ОС

Ядро

модули

Вспомогательные

Многослойная структура ОС

Развитие архитектуры ОС с ядром в привилегированном режиме
Повышение уровня:
защищенности

Схема функционирования ОС с многослойной архитектурой

Слой k

Слой k+1

Межслойный интерфейс

К слою k-1

К

Многослойная структура ОС

Уровни (слои) образуются группами функций ОС.
Каждый слой может

Типовой состав слоев ОС

Средства аппаратной поддержки ОС
Машинно-зависимые компоненты
Базовые механизмы ядра
Менеджеры ресурсов
Интерфейс

1. Средства аппаратной поддержки ОС

Часть функций ОС может быть реализована аппаратно
Система

2. Машинно-зависимые компоненты

Напрямую взаимодействуют с аппаратной частью ВС
В идеале полностью изолируют

3. Базовые механизмы ядра

Наиболее примитивные функции и объекты ядра
Переключение контекстов
Диспетчеризация процессов
Перемещение

4. Менеджеры ресурсов

Мощные функциональные модули, осуществляющие управление основными ресурсами системы
Менеджеры процессов,

5. Интерфейс системных вызовов

Верхний слой ядра, взаимодействующий с системными утилитами и

Многослойная структура ОС

Преимущества:
Высокая производительность
Недостатки:
Большой код ядра, и как следствие большое содержание

Микроядерная (клиент-серверная) архитектура

Облегчение ядра
Перемещение всех дополнительных модулей и части модулей ядра

Особенности выполнения приложений в ОС с микроядерной архитектурой

Микроядро

Приложения пользователей

Сервер

Сервер

Сервер

Утилиты

Привилегированный режим

Пользовательский режим

Микроядерная (клиент-серверная) архитектура

Преимущества:
Малый код ядра и отдельных подсистем, и как следствие

Структура операционных систем

Монолитное ядро – необходимость перекомпиляции при каждом изменении,

Структура операционных систем

Многоуровневые системы – необходимость перекомпиляции при изменениях, отлаживается

Структура операционных систем

Микроядро – простота отладки, возможность замены компонент без

Структура операционных систем

Linux – монолитная с элементами микроядерной архитектуры (подгружаемые

Структура операционных систем

Каждому пользователю – своя копия виртуального hardware

Виртуальные машины

Реальное