Эволюция операционных систем или как это было и как будет. Понятие операционной системы

Рассматривая эволюцию ОС, следует иметь в виду, что разница во времени реализации некоторых принципов организации отдельных операционных систем до их общего признания, а также терминологическая неопределенность не позволяют дать точную хронологию развития ОС. Однако сейчас уже достаточно точно можно определить основные вехи на пути эволюции операционных систем.

Существуют также различные подходы к определению поколений ОС. Известно разделение ОС на поколения в соответствии с поколениями вычислительных машин и систем [5 , 9 , 10 , 13 ]. Такое деление нельзя считать полностью удовлетворительным, так как развитие методов организации ОС в рамках одного поколения ЭВМ, как показал опыт их создания, происходит в достаточно широком диапазоне. Другая точка зрения не связывает поколение ОС с соответствующими поколениями ЭВМ. Так, например, известно определение поколений ОС по уровням входного языка ЭВМ, режимам использования центральных процессоров, формам эксплуатации систем и т.п. [5 , 13 ].

Видимо, наиболее целесообразным следует считать выделение этапов развития ОС в рамках отдельных поколений ЭВМ и ВС.

Первым этапом развития системного программного обеспечения можно считать использование библиотечных программ, стандартных и служебных подпрограмм и макрокоманд. Концепция библиотек подпрограмм является наиболее ранней и восходит к 1949 году [4 , 17 ]. С появлением библиотек получили развитие автоматические средства их сопровождения – программы-загрузчики и редакторы связей. Эти средства применялись в ЭВМ первого поколения, когда операционных систем как таковых еще не существовало.

Стремление устранить несоответствие между производительностью процессоров и скоростью работы электромеханических устройств ввода-вывода, с одной стороны, и использование достаточно быстродействующих накопителей на магнитных лентах и барабанах (НМЛ и НМБ), а затем на магнитных дисках (НМД), с другой стороны, привело к необходимости решения задач буферизации и блокирования-деблокирования данных. Возникли специальные программы методов доступа, которые вносились в объекты модулей редакторов связей (впоследствии стали использоваться принципы полибуферизации). Для поддержания работоспособности и облегчения процессов эксплуатации машин создавались диагностические программы. Таким образом было создано базовое системное программное обеспечение.

С улучшением характеристик ЭВМ и ростом их производительности стало ясно, что существующего базового программного обеспечения (ПО) недостаточно. Появились операционные системы ранней пакетной обработки – мониторы. В рамках системы пакетной обработки во время выполнения любой работы в пакете (трансляция, сборка, выполнение готовой программы) никакая часть системного ПО не находилась в оперативной памяти, так как вся память предоставлялась текущей работе. Затем появились мониторные системы, в которых оперативная память делилась на три области: фиксированная область мониторной системы, область пользователя и область общей памяти (для хранения данных, которыми могут обмениваться объектные модули).

Началось интенсивное развитие методов управления данными, возникала такая важная функция ОС, как реализация ввода-вывода без участия центрального процесса – так называемый спулинг (от англ. SPOOL – Simultaneous Peripheral Operation on Line).

Появление новых аппаратных разработок (1959-1963 гг.) – систем прерываний, таймеров, каналов – стимулировало дальнейшее развитие ОС [4 , 5 , 9 ]. Возникли исполнительные системы, которые представляли собой набор программ для распределения ресурсов ЭВМ, связей с оператором, управления вычислительным процессом и управления вводом-выводом. Такие исполнительные системы позволили реализовать довольно эффективную по тому времени форму эксплуатации вычислительной системы – однопрограммную пакетную обработку. Эти системы давали пользователю такие средства, как контрольные точки, логические таймеры, возможность построения программ оверлейной структуры, обнаружение нарушений программами ограничений, принятых в системе, управление файлами, сбор учетной информации и др.

Однако однопрограммная пакетная обработка с ростом производительности ЭВМ не могла обеспечить экономически приемлемый уровень эксплуатации машин. Решением стало мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится несколько программ, попеременно выполняющихся одним процессором, причем для начала или продолжения счета по одной программе не требовалось завершения других. В мультипрограммной среде проблемы распределения ресурсов и защиты стали более острыми и трудноразрешимыми.

Теория построения операционных систем в этот период обогатилась рядом плодотворных идей. Появились различные формы мультипрограммных режимов работы, в том числе разделение времени – режим, обеспечивающий работу многотерминальной системы. Была создана и развита концепция виртуальной памяти, а затем и виртуальных машин. Режим разделения времени позволил пользователю интерактивно взаимодействовать со своими программами, как это было до появления систем пакетной обработки.

Одной из первых ОС, использующих эти новейшие решения, была операционная система МСР (главная управляющая программа), созданная фирмой Burroughs для своих компьютеров В5000 в 1963 году. В этой ОС были реализованы многие концепции и идеи, ставшие впоследствии стандартными для многих операционных систем:

мультипрограммирование;

мультипроцессорная обработка;

виртуальная память;

возможность отладки программ на исходном языке;

написание операционной системы на языке высокого уровня.

Известной системой разделения времени того периода стала система CTSS (Compatible Time Sharing System) – совместимая система разделения времени, разработанная в Массачусетском технологическом институте (1963 год) для компьютера IBM-7094 [37 ]. Эта система была использована для разработки в этом же институте совместно с Bell Labs и General Electric системы разделения времени следующего поколения MULTICS (Multiplexed Information And Computing Service). Примечательно, что эта ОС была написана в основном на языке высокого уровня EPL (первая версия языка PL/1 фирма IBM).

Одним из важнейших событий в истории операционных систем считается появление в 1964 году семейства компьютеров под названием System/360 фирмы IBM, а позже – System/370 [11 ]. Это было первой в мире реализацией концепции семейства программно и информационно совместимых компьютеров, ставшей впоследствии стандартной для всех фирм компьютерной отрасли.

Нужно отметить, что основной формой использования ЭВМ, как в системах разделения времени, так и в системах пакетной обработки, стал многотерминальный режим. При этом не только оператор, но и все пользователи получали возможность формулировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. Поскольку терминальные комплексы скоро стало возможным размещать на значительных расстояниях от компьютера (благодаря модемным телефонным соединениям), появились системы удаленного ввода заданий и телеобработки данных. В ОС добавились модули, реализующие протоколы связи [10 , 13 ].

К этому времени произошло существенное изменение в распределении функций между аппаратными и программными средствами компьютера. Операционная система становится "неотъемлемой частью ЭВМ", как бы продолжением аппаратуры. В процессорах появился привилегированный (Супервизор в OS/360) и пользовательский (Задача в OS/360) режимы работы, мощная система прерываний, защита памяти, специальные регистры для быстрого переключения программ, средства поддержки виртуальной памяти и др.

В начале 70-х годов появились первые сетевые ОС, которые позволили не только рассредоточить пользователей, как в системах телеобработки данных, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между компьютерами, соединенных электрическими связями. Известен проект ARPANET MO США. В 1974 году IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры SNA для своих мэйнфреймов, обеспечивающей взаимодействие типа "терминал-терминал", "терминал-компьютер", "компьютер-компьютер". В Европе активно разрабатывалась технология построения сетей с коммутацией пакетов на основе протоколов Х.25.

К середине 70-х годов наряду с мэйнфреймами широкое распространение получили мини-компьютеры (PDP-11, Nova, HP). Архитектура мини-компьютеров была значительно проще, многие функции мультипрограммных ОС мэйнфреймов были усечены. Операционные системы мини-ЭВМ стали делать специализированными (RSX-11M – разделение времени, RT-11 – OC реального времени) и не всегда многопользовательскими.

Важной вехой в истории мини-компьютеров и вообще в истории операционных систем явилось создание ОС UNIX. Написал эту систему Кен Томпсон (Ken Thompson), один из специалистов по компьютерам в BELL Labs, работавший над проектом MULTICS. Собственно, его UNIX – это усеченная однопользовательская версия системы MULTICS. Первоначальное название этой системы – UNICS (UNiplexed Information and Computing Service – примитивная информационная и компьютерная служба). Так в шутку была названа эта система, поскольку MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service) – мультиплексная информационная и компьютерная служба. С середины 70-х годов началось массовое использование ОС UNIX, написанной на 90% на языке С. Широкое распространение С-компиляторов сделало UNIX уникальной переносимой OC, а поскольку она поставлялась вместе с исходными кодами, она стала первой открытой операционной системой. Гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров – от персональных до супер-ЭВМ.

Доступность мини-компьютеров послужила стимулом для создания локальных сетей. В простейших ЛВС компьютеры соединялись через последовательные порты. Первое сетевое приложение для ОС UNIX – программа UUCP (Unix to Unix Copy Program) – появилось в 1976 году.

Дальнейшее развитие сетевых систем со стеком протоколов TCP/IP: в 1983 году он был принят MO США в качестве стандарта и использован в сети ARPANET. В этом же году ARPANET разделилась на MILNET (для военного ведомства США) и новую ARPANET, которую стали называть Internet.

Все восьмидесятые годы характерны появлением все более совершенных версий UNIX: Sun OS, HP-UX, Irix, AIX и др. Для решения проблемы их совместимости были приняты стандарты POSIX и XPG, определяющие интерфейсы этих систем для приложений.

Еще одним знаменательным событием для истории операционных систем было появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Они послужили мощным толчком для распределения локальных сетей, в результате поддержка сетевых функций стала для ОС ПК необходимым условием. Однако и дружественный интерфейс, и сетевые функции появились у ОС ПК не сразу [13 ].

Наиболее популярной версией ОС раннего этапа развития персональных компьютеров была MS-DOS компании Microsoft – однопрограммная, однопользовательская ОС с интерфейсом командной строки. Многие функции, обеспечивающие удобство работы пользователю, в этой ОС предоставлялись дополнительными программами – оболочкой Norton Commander, PC Tools и др. Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения ПК оказала операционная среда Windows, первая версия которой появилась в 1985 году. Сетевые функции также реализовались с помощью сетевых оболочек и появились в MS-DOS версии 3.1. В это же время появились сетевые продукты Microsoft – MS-NET, а позже – LAN Manager, Windows for Workgroup, а затем и Windows NT.

Другим путем пошла компания Novell: ее продукт NetWare – операционная система со встроенными сетевыми функциями. ОС NetWare распространялась как операционная система для центрального сервера локальной сети и за счет специализации функций файл-сервера обеспечивала высокую скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. Однако эта ОС имела специфический программный интерфейс (API), что затрудняло разработку приложений.

В 1987 году появилась первая многозадачная ОС для ПК – OS/2, разработанная Microsoft совместно с IBM. Эта была хорошо продуманная система с виртуальной памятью, графическим интерфейсом и возможностью выполнять DOS-приложения. Для нее были созданы и получили распространение сетевые оболочки LAN Manager (Microsoft) и LAN Server (IBM). Эти оболочки уступали по производительности файловому серверу NetWare и потребляли больше аппаратных ресурсов, но имели важные достоинства. Они позволяли выполнять на сервере любые программы, разработанные для OS/2, MS-DOS и Windows, кроме того, можно было использовать компьютер, на котором они работали, в качестве рабочей станции. Неудачная рыночная судьба OS/2 не позволила системам LAN-Manager и LAN-Server захватить заметную долю рынка, но принципы работы этих сетевых систем во многом нашли свое воплощение в ОС 90-х годов – MS Windows NT.

В 80-е годы были приняты основные стандарты на коммуникационные технологии для локальных сетей: в 1980 г. – Ethernet, в 1985 г. – Token Ring, в конце 80-х –FDDI (Fiber Distributed Data Interface), распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам, двойное кольцо с маркером. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях, а также стандартизировать операционные системы с драйверами сетевых адаптеров.

Для ПК применялись не только специально разработанные для них ОС (MS-Dos, NetWare, OS/2), но и адаптировались уже существующие ОС, в частности UNIX. Наиболее известной системой этого типа была версия UNIX компании Santa Cruz Operation (SCO UNIX).

В 90-е годы практически все операционные системы, занимающие заметное место на рынке, стали сетевыми. Сетевые функции встраиваются в ядро ОС, являясь ее неотъемлемой частью. В ОС используются средства мультиплексирования нескольких стеков протоколов, за счет которого компьютеры могут поддерживать одновременную работу с разнородными серверами и клиентами. Появились специализированные ОС, например, сетевая ОС IOS компании Cisco System, работающая в маршрутизаторах. Во второй половине 90-х годов все производители ОС усилили поддержку средств работы с интерфейсами. Кроме стека протоколов TCP/IP в комплект поставки начали включать утилиты, реализующие популярные сервисы Интернета: telnet, ftp, DNS, Web и др.

Особое внимание уделялось в последнем десятилетии и уделяется в настоящее время корпоративным сетевым операционным системам. Это одна из наиболее важных задач в обозримом будущем. Корпоративные ОС должны хорошо и устойчиво работать в крупных сетях, которые характерны для крупных организаций (предприятий, банков и т.п.), имеющих отделения во многих городах и, возможно, в разных странах. Корпоративная ОС должна без проблем взаимодействовать с ОС разного типа и работать на различных аппаратных платформах. Сейчас определились лидеры в классе корпоративных ОС – это MS Windows 2000/2003, UNIX и Linux-системы, а также Novell NetWare 6.5.

Понятие операционной системы; эволюция развития операционных систем; функции операционных систем и подходы к построению операционных систем.

ОС – базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

В основном эволюцию развития ОС разделяют на 5 поколений:

Первое поколение (1940 – 50). Только появились ламповые вычислительные устройства. Разработан принцип программы. ОС отсутствуют, вся работа по управлению ведется разработчиками.

Второе поколение (1950 – 60). Вычислительные устройства работают на полупроводниковых элементах. Появляется прообраз ОС - системы пакетной обработки , которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и тем самым увеличивают коэффициент загрузки процессора.

Третье поколение (1960 - 70) . Полупроводниковые элементы объединяются в интегральные микросхемы. Появляются ОС с поддержкойаппарата прерывания,планирования заданий, мультипрограммирования. Одна и та жеОС начинает работать на различных устройствах, но она по-прежнему остается пакетной. Также появляетсяоперационная система реального времени (ОСРВ), в которой ЭВМ применяется для управления техническими объектами. Характерным свойством для ОСРВ является реактивность- готовность системы вырабатывать управляющие воздействия незамедлительно.

Четвертое поколение (1970-80) . ОС были многорежимными системами, обеспечивающими пакетную обработку, разделение времени, режим реального времени и мультипроцессорный режим. Появляется вытесняющая многозадачность и приоритетное планирование, а также выделение квот на использование ограниченных ресурсов компьютеров. Реализуется механизм виртуальной памяти и развитых файловых систем.

Пятое поколение (с середины 1980-х гг. по н.в.) . ОС используют возможности сетевых технологий, в том числе технологии клиент – сервер, интерфейс становится графическим и дружественным.

Также существует 5 основных подходов к построению ОС

Монолитное ядро
Микроядернаяархитектура
Многоуровневая система
Виртуальная машина
Смешанная система

Архитектура операционной системы. Классификация операционных систем. Эффективность и требования, предъявляемые к ОС.

Рассмотрим существующие архитектуры ОС.

Монолитное ядро - это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой.Примером систем с монолитным ядром является большинство Unix-систем.

Многоуровневые системы. Всю вычислительную системуможно разбить на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне.

Виртуальными машинами называют программную или аппаратную среду, исполняющую некоторый код. Зачастую виртуальная машина эмулирует работу реального компьютера. Примерами служит VMWareWorkstation и VirtualBox.

Микроядерная архитектура. Это такая архитектура, когда большинство составляющих ОCявляются самостоятельными программами.Взаимодействие между ними обеспечивает микроядро, которое работает в привилегированном режиме. Также оно осуществляет планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Смешанные системы. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации вышеприведенных подходов.

У ОС сформировалась своя классификация:

по назначению (общего, специального),
по режиму обработки задач (однозадачные, мультипрограммные),
по способу взаимодействия с системой (диалоговые, с пакетной обработкой)
по способам построения (рассмотрены выше)

К операционным системам современных компьютеров предъявляется ряд требований. Главным требованием является выполнение основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, развитый интерфейс пользователя (многооконный графический, аудио -, менюориентированный и т.д.), высокую степень защиты, удобство работы, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты, к ОС предъявляется ряд важных эксплуатационных требований.

Эффективность.
Надежность и отказоустойчивость.
Безопасность (защищенность).
Предсказуемость.
Расширяемость.
Переносимость.
Совместимость.
Удобство.
Масштабируемость.

Понятие процесса, его состояния, модель представления процесса в операционной системе и операции, которые могут выполняться над процессами операционной системой.

Понятие процесса характеризует некоторую совокупность набора исполняющихся команд, ассоциированных с ним ресурсов и текущего момента его выполнения, находящуюся под управлением операционной системы. В любой момент процесс полностью описывается своим контекстом, состоящим из регистровой, системной и пользовательской частей.

Процессы могут находиться в пяти основных состояниях:

рождение,
готовность,
исполнение,
ожидание,
закончил исполнение

В операционной системе процессы представляются определенной структурой данных, которая содержит следующую информацию (для разных ОС различается):

состояние, в котором находится процесс;
адрес команды, которая должна быть выполнена для него следующей;
содержимое регистров процессора;
данные, необходимые для планирования использования процессора и управления памятью;
учетные данные;
сведения об устройствах ввода-вывода, связанных с процессом.

Из состояния в состояние процесс переводится операционной системой в результате выполнения над ним операций. Операционная система может выполнять над процессами следующие пары операций:

создание процесса - завершение процесса,
приостановка процесса - запуск процесса,
блокирование процесса - разблокирование процесса,
изменение приоритета процесса.

Уровни планирования процессов в операционных системах. Основные цели и критерии планирования и параметры, на которых оно основывается. Алгоритмы планирования.

Планирование – это работа по определению того, в какой момент времени прервать выполнение одного процесса и какому процессу предоставить возможность выполняться.

При построении алгоритмов планирования выделяют три различных уровня:

долгосрочное;
краткосрочное;
среднесрочное.

К числу целей можно отнести следующие:

Справедливость.
Эффективность.
Сокращение полного времени выполнения.
Сокращение времени ожидания.
Сокращение времени отклика.

Критерии планирования:

Предсказуемость.
Минимальные накладные расходы.
Равномерная загрузка ресурсов вычислительной системы
Масштабируемость

Параметры планирования:

Статические – предельные значения ресурсов системы: размер оперативной памяти, максимальное количество памяти на диске для осуществления свопинга, количество подключенных устройств ввода-вывода и т.п.
Динамические – значения ресурсов системы на текущий момент.

Алгоритмы планирования

FCFS. Работает по принципу первым пришел, первым обслужен. Преимуществом алгоритма FCFS является легкость его реализации, недостатками – среднее время ожидания и среднее полное время выполнения для этого алгоритма существенно зависят от порядка расположения процессов в очереди.

RoundRobin. По сути, это алгоритм FCFS , только реализованный в режиме вытесняющего планирования (очередной процесс передается на исполнение по таймеру по истечении определенного кванта времени).

ShortestJobFirst. Если выбирать процесс не по порядку (как в FCFS и RR ), а основываясь на его минимальном времени непрерывного использования процессора, то это позволит повысить производительность алгоритма планирования использования процессора. Описанный алгоритм получил название «кратчайшая работа первой» (англ. ShortestJobFirst , SJF ).

Основную сложность при реализации алгоритма SJF представляет невозможность точно знать в каждом случае время исполнения очередного процесса.

Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации (санкционированное взаимодействие процессов)

Для нормального функционирования процессов операционная система старается максимально обособить их друг от друга. Тем не менее существуют причины для их взаимодействия:

Повышение скорости работы.
Совместное использование данных.
Модульная конструкция какой-либо системы.
Удобства работы пользователя

Категории средств обмена информацией

Сигнальные.
Канальные.
Разделяемая память.

Логическая организация механизма передачи информации

Установление связи. При использовании прямой адресации связь между процессами в классической операционной системе устанавливается автоматически, без дополнительных инициализирующих действий. При использовании непрямой адресации инициализация средства связи может и не требоваться. Информация, которой должен обладать процесс для взаимодействия с другими процессами, – это некий идентификатор промежуточного объекта для хранения данных, если он, конечно, не является единственным и неповторимым в вычислительной системе для всех.

Информационная валентность процессов и сре дств св язи. При прямой адресации только одно фиксированное средство связи может быть задействовано для обмена данными между двумя процессами, и только эти два процесса могут быть ассоциированы с ним. При непрямой адресации может существовать более двух процессов, использующих один и тот же объект для данных, и более одного объекта может быть использовано двумя процессами.

Особенности передачи информации с помощью линий связи

Буферизация

Буфер нулевой емкости или отсутствует.
Буфер ограниченной емкости.
Буфер неограниченной емкости.

Поток ввода/вывода и сообщения

Поток ввода-вывода. Операции передачи/приема не интересуются содежимим данных
Сообщения. Процессы налагают на передаваемые данные некоторую структуру. Весь поток информации они разделяют на отдельные сообщения.

Надежность сре дств св язи. Передача данных через разделяемую память является надежным способом связи. В остальных случаях нужно повышать надежность.

Завершение связи. Для способов связи, которые не подразумевали никаких инициализирующих действий, обычно ничего специального для окончания взаимодействия предпринимать не надо. Если установление св. требовало некоторой инициализации, то необходимо выполнить операции освобождения ресурса.

Алгоритмы синхронизации (алгоритмы корректной организации взаимодействия процессов).

Критическая секция

Критическая секция – часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к ней, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено. В примере критическая секция – файл “заказов”, являющийся разделяемым ресурсом для процессов R и S.

Алгоритм Деккера - первое известное корректное решение проблемы взаимного исключения.

Если два процесса пытаются перейти в критическую секцию одновременно, алгоритм позволит это только одному из них, основываясь на том, чья в этот момент очередь. Если один процесс уже вошёл в критическую секцию, другой будет ждать, пока первый покинет её. Это реализуется при помощи использования двух флагов (индикаторов "намерения" войти в критическую секцию) и переменной turn (показывающей, очередь какого из процессов наступила).

Процессы объявляют о намерении войти в критическую секцию; это проверяется внешним циклом «while». Если другой процесс не заявил о таком намерении, в критическую секцию можно безопасно войти (вне зависимости от того, чья сейчас очередь). Взаимное исключение всё равно будет гарантировано, так как ни один из процессов не может войти в критическую секцию до установки этого флага (подразумевается, что, по крайней мере, один процесс войдёт в цикл «while»). Это также гарантирует продвижение, так как не будет ожидания процесса, оставившего «намерение» войти в критическую секцию. В ином случае, если переменная другого процесса была установлена, входят в цикл «while» и переменная turn будет показывать, кому разрешено войти в критическую секцию. Процесс, чья очередь не наступила, оставляет намерение войти в критическую секцию до тех пор, пока не придёт его очередь (внутренний цикл «while»). Процесс, чья очередь пришла, выйдет из цикла «while» и войдёт в критическую секцию.

Не требует специальных Test-and-set инструкций, по этому легко переносим на разные языки программирования и архитектуры компьютеров

Действует только для двух процессов

Алгоритм Петерсона - программный алгоритм взаимного исключения потоков исполнения кода.

Перед тем как начать исполнение критической секции кода (то есть кода, обращающегося к защищаемым совместно используемым ресурсам), поток должен вызвать специальную процедуру (назовем ее EnterRegion) со своим номером в качестве параметра. Она должна организовать ожидание потока своей очереди входа в критическую секцию. После исполнения критической секции и выхода из нее, поток вызывает другую процедуру (назовем ее LeaveRegion), после чего уже другие потоки смогут войти в критическую область. Если оба процесса подошли к прологу практически одновременно, то они оба объявят о своей готовности и предложат выполняться друг другу. При этом одно из предложений всегда следует после другого. Тем самым работу в критическом участке продолжит процесс, которому было сделано последнее предложение.

Как и алгоритм Деккера, действует только для 2 процессов

Более простая реализация, чем у алгоритма Деккера

Алгоритм булочной. Алгоритм Петерсона дает нам решение задачи корректной организации взаимодействия двух процессов. Давайте рассмотрим теперь соответствующий алгоритм для n взаимодействующих процессов.

Каждый вновь прибывающий процесс получает метку с номером. Процесс с наименьшим номером метки обслуживается следующим. К сожалению, из-за неатомарности операции вычисления следующего номера алгоритм булочной не гарантирует, что у всех процессов будут метки с разными номерами. В случае равенства номеров меток у двух или более процессов первым обслуживается клиент с меньшим значением имени (имена можно сравнивать в лексикографическом порядке). Разделяемые структуры данных для алгоритма – это два массива

Специальные механизмы синхронизации – семафоры Дейкстры, мониторы Хора, очереди сообщений.

Семафоры

Для устранения этого недостатка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы (аппарат для работы с критическими секциями.

В разных ОС аппарат событий реализован по своему, но в любом случае используются системные функции, которые условно называют WAIT(x) и POST(x), где x – идентификатор некоторого события (например, освобождение ресурса).

Обобщающее средство синхронизации процессов предложил Дейкстра, который ввел новые примитивы, обозначаемые V (“открытие”) и P (“закрытие”), оперирующие над целыми неотрицательными переменными, называемыми семафорами.

Доступ любого процесса к семафору, за исключением момента его инициализации, может осуществляться только через эти две атомарные операции.

Смысл P(S) заключается в проверке текущего значения семафора S, и если S>0, то осуществляется переход к следующей за примитивом операции, иначе процесс переходит в состояние ожидания.

Процесс блокируется; S=S-1;

Операция V(S) связана с увеличением значения S на 1 и переводом одного или нескольких процессов в состояние готовности к исполнению процессором.

В простом случае, когда семафор работает в режиме 2-х состояний (S>0 и S=0), ео алгоритм работы полностью совпадает с алгоритмом работs мьютекса, а S выполняет роль блокирующей переменной.

“+”: пассивное ожидание (постановка в очередь и автоматическая выдача ресурсов)

возможность управления группой однородных ресурсов

“-”: не указывают непосредственно на критический ресурс

некорректное использование операций может привести к нарушению работоспособности (например, переставив местами операции P(e) и P(b) в функции Writer()).

Мониторы

Для облегчения работы программистов при создании параллельных программ без усилий на доказательства правильности алгоритмов и отслеживание взаимосвязанных объектов (что характерно при использовании семафоров) предложено высокоуровневое средство синхронизации, называемое мониторами.

Мониторы – тип данных, обладающий собственными переменными, значения которых могут быть изменены только с помощью вызова функций-методов монитора.

Функции-методы могут использовать в работе только данные, находящиеся внутри монитора, и свои параметры.

Доступ к мониторам в каждый момент времени имеет только один процесс.

Для организации не только взаимоисключений, но и очередности процессов, подобно семафорам f(full) и e(empty), было введено понятие условных переменных, над которыми можно совершать две операции wait и signal, отчасти похожие на операции P и V над семафорами.

Функция монитора выполняет операцию wait над какой-либо условной переменной. При этом процесс, выполнивший операцию wait, блокируется, становится неактивным, и другой процесс получает возможность войти в монитор.

Когда ожидаемое событие происходит, другой процесс внутри функции совершает операцию signal над той же самой условной переменной. Это приводит к пробуждению ранее заблокированного процесса, и он становится активным.

Исключение входа нескольких процессов в монитор реализуется компилятором, а не программистом, что делает ошибки менее вероятными.

Требуются специальные языки программирования и компиляторы (встречаются в языках, “параллельный Евклид”,”параллельный Паскаль”,Java).

Следует отметить, что условные переменные мониторов не запоминают предысторию, поэтому операцию signal всегда должна выполняться после операции wait(иначе выполнение операции wait всегда будет приводить к блокированию процесса).

Очереди сообщений

Механизм очередей сообщений позволяет процессам и потокам обмениваться структурированными сообщениями. Один или несколько процессов независимым образом могут посылать сообщения процессу – приемнику.

Очередь сообщений представляет возможность использовать несколько дисциплин обработки сообщений (FIFO, LIFO, приоритетный доступ, произвольный доступ).

При чтении сообщения из очереди удаления сообщения из очереди не происходит, и сообщение может быть прочитано несколько раз.

В очереди присутствуют не сами сообщения, а их адреса в памяти и размер. Эта информация размещается системой в сегменте памяти, доступном для всех задач, общающихся с помощью данной очереди

Основные функции управления очередью:

Создание новой очереди
Открытие существующей очереди
Чтение и удаление сообщений из очереди
Чтение без последующего удаления
Добавление сообщения в очередь
Завершение использование очереди
Удаление из очереди всех сообщений
Определение числа элементов в очереди

Взаимоблокировки, тупиковые ситуации, "зависания" системы

страница 1
Всероссийский Заочный Финансово – Экономический Институт

Факультет: финансово – кредитный

Специальность: финансы и кредит группа вечерняя

Курсовая работа

По дисциплине «Информатика»

На тему «Назначение, классификация и эволюция операционных систем»

Москва – 2008г.

Введение
1 Назначение операционных систем 5

2 Перечислим основные функции операционных систем 9

2.2 Обслуживание всех операций ввода-вывода 9

3 Эволюция и классификация ОС
Заключение 2
Список использованной литературы 22

Введение

Операционная система (ОС) является основой системного ПО, под управлением которыми осуществляется начальная загрузка компьютера, управление работой всех его устройств и проверка их работоспособности, управление файловой системой компьютера, загрузка пользовательских приложений и распределение ресурсов компьютера между ними, поддержка пользовательского интерфейса и др. К числу широко известных семейств операционных систем относятся DOS, WINDOWS, UNIX, NETWARE и др.

Операционная система (ОС) представляет собой совокупность программ, выполняющих две функции: предоставление пользователю удобств виртуальной машины и повышение эффективности использования компьютера при рациональном управлении его ресурсами.

Процессор компьютера выполняет команды, заданные на машинном языке. Непосредственная подготовка таких команд требует от пользователя знаний языка и специфики построения и взаимодействия аппаратных средств. Так, например, для доступа к хранящейся на магнитном носителе информации необходимо указать номера блоков на диске и номера секторов на дорожке, определить состояние двигателя механизма перемещения головок записи считывания, обнаружить наличие и типы ошибок, выполнить их анализ и пр. Требовать этих знаний от всех пользователей практически невозможно. Поэтому и возникла необходимость в создании ОС – совокупности программ, скрывающих от пользователя особенности физического расположения информации и выполняющих обработку прерываний, управление таймерами и оперативной памятью. В результате пользователю предоставляется виртуальная машина, реализующая работу на логическом уровне.

1 Назначение операционных систем

Операционные системы относятся к системному программному обеспечению. Все программное обеспечение разделяется на системное и прикладное. К системному программному обеспечению принято относить такие программы и комплексы программ, которые являются общими, без которых невозможно выполнение или создание других программ. История появления и развития системного программного обеспечения началась с того момента, когда люди осознали, что любая программа требует операций ввода-вывода данных. Это произошло в далекие 50-е годы прошлого столетия. Собственно операционные системы появились чуть позже.

Аналогично, и вывод результатов может быть организован, например, на соответствующие устройства и в форме, удобной для восприятия ее человеком. Либо результаты расчетов будут отправляться программой на какие-нибудь исполнительные устройства, которые управляются компьютером. Наконец, мы можем организовать запись полученных значений на некие устройства хранения данных (с целью их дальнейшей обработки).

Программирование операций ввода-вывода относится к одной из самых трудоемких областей создания программного обеспечения. Здесь речь идет не об использовании операторов типа READ или WRITE в языках высокого уровня. Речь идет о необходимости создать подпрограмму в машинном виде, уже готовую к выполнению на компьютере, а не написанную с помощью некоторой системы программирования (систем программирования тогда еще не было), подпрограмму, вместо обычных вычислений управляющую тем устройством, которое должно участвовать в операциях ввода исходных данных или выводов результатов. При наличии такой подпрограммы программист может обращаться к ней столько раз, сколько операций ввода-вывода с этим устройством ему требуется. Для выполнения этой работы программисту недостаточно хорошо знать архитектуру вычислительного комплекса и уметь создавать программы на языке ассемблера. Он должен отлично знать и интерфейс, с помощью которого устройство подключено к центральной части компьютера, и алгоритм функционирования устройства управления устройства ввода-вывода.

Очевидно, что имело смысл создать набор подпрограмм управления операциями ввода-вывода и использовать его в своих программах, чтобы не заставлять программистов каждый раз заново программировать все эти операции. С этого и началась история системного программного обеспечения. Впоследствии набор подпрограмм ввода-вывода стали организовывать в виде специальной библиотеки ввода-вывода, а затем появились и сами операционные системы. Основной причиной их появления было желание автоматизировать процесс подготовки вычислительного комплекса к выполнению программы.

В 50-е годы взаимодействие пользователей с вычислительным комплексом было совершенно иным, чем ныне. Программист-кодер (от англ. coder – кодировщик) – специально подготовленный специалист, знающий архитектуру компьютера и язык(и) программирования, - по заказу составлял текст программы, часто по уже готовому алгоритму, разработанному программистом-алгоритмистом. Текст этой программы затем отдавался оператору, который набирал его на специальных устройствах и переносил на соответствующие носители. Чаще всего в качестве носителей использовались перфокарты или перфолента. Далее колода с перфокартами передавалась в вычислительный зал, где для вычислений по этой программе требовать следующие действия:

1. Оператор вычислительного комплекса с пульта вводил в рабочие регистры центрального процессора и в оперативную память компьютера ту первоначальную программу, которая позволяла считать в память программу для трансляции исходных кодов и получения машинной (двоичной) программы (проще говоря, транслятор, который тоже хранился на перфокартах или перфоленте).

2. Транслятор считывал исходную программу, осуществлял лексический разбор исходного текста, и промежуточные результаты процесса трансляции зачастую так же выводили на перфокарты (перфоленту). Трансляция – сложный процесс, часто требующий нескольких проходов. Порой для выполнения очередного прохода приходилось в память компьютера загружать с перфокарт и следующую часть транслятора, и промежуточные результаты трансляции. Ведь результат трансляции выводился также на носители информации, поскольку объем оперативной памяти был небольшим, а задача трансляции – это очень сложная задача.

3. Оператор загружал в оперативную память компьютера полученные двоичные коды, оттранслированной программы и подгружал двоичные коды тех системных подпрограмм, которые реализовывали управлениями операциями ввода-вывода. После этого готовая программа, расположенная в памяти, могла сама считывать исходные данные и осуществлять необходимые вычисления. В случае обнаружения ошибок на одном из этих этапов или после анализа полученных результатов весь цикл необходимо было повторить.

Для автоматизации труда программиста (кодера) стали разрабатывать специальные алгоритмические языки высокого уровня, а для автоматизации труда оператора вычислительного комплекса была разработана специальная управляющая программа, загрузив которую в память один раз оператор мог ее далее использовать неоднократно и более не обращаться к процедуре программирования ЭВМ через пульт оператора. Именно эту управляющую программу и стали называть операционной системой. Со временем на нее стали возлагать все больше и больше задач, она стала расти в объеме. Прежде всего разработчики стремились к тому, чтобы операционная система как можно более эффективно распределяла вычислительные ресурсы компьютера, ведь в 60-е годы операционные системы уже позволяли организовать параллельное выполнение нескольких программ. Помимо задач распределения ресурсов появились задачи обеспечения надежности вычислений. К началу 70-х годов диалоговый режим работы с компьютером стал преобладающим, и у операционных систем стремительно начали развиваться интерфейсные возможности. Термин интерфейс (interface) обозначает целый комплекс спецификаций, определяющих конкретный способ взаимодействия пользователя с компьютером.

На сегодняшний день можно констатировать, что операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

2 Перечислим основные функции операционных систем

Прием пользователя (или оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.

Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.

Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

Прием и использование различных запросов от выполняющихся приложений. Операционная система умеет выполнять очень большое количество системных функций (сервисов), которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API) этой операционной системы.

2.2 Обслуживание всех операций ввода-вывода

Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.

Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения.

Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными между выполняющимися программами.

Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.

Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.

Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.

Аутентификация и авторизация пользователей (для большинства диалоговых операционных систем). Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи. Очевидно, что если входное имя (login) пользователя и его пароль совпадают, то, скорее всего, это и будет тот самый пользователь. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может делать на компьютере.

Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для ОС реального времени).

Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.

Операционная система изолирует аппаратное обеспечение компьютера от прикладных программ пользователей. И пользователь, и его программы взаимодействуют с компьютером через интерфейсы операционной системы.

3 Эволюция и классификация ОС

Эволюция ОС во многом обусловлена совершенствование аппаратной базы ЭВМ.

Программирование ламповых вычислительных устройств, ориентированных на решение специализированных прикладных задач, выполнялось на машинном языке (языке программирования, представляющем программу в форме, позволяющей непосредственно выполнять ее техническими средствами обработки данных). Организация вычислительного процесса в этом случае осуществлялась обслуживающим персоналом вручную с пульта управления. ОС для этих ЭВМ практически отсутствовали.

Компьютеры, построенные на полупроводниковых элементах, стали более компактными, надежными и применялись при решении более широкого класса прикладных задач. Появились первые алгоритмические языки, компиляторы (компиляторы – программы, используемые для компиляции – перевода написанной на алгоритмическом языке программы на язык, близкий к машинному) и системы пакетной обработки. Эти системы явились прообразом современных ОС. Основное их назначение – увеличение загрузки процессора.

Переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам сопровождался созданием семейств программно-совместимых машин, например, семейства IBM/360, EC ЭВМ. ОС этих компьютеров ориентировались на обслуживание вычислительных систем с разнообразными периферийными устройствами и в различных областях деятельности. Особенностью таких ОС стало мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько приложений. Например, пока одно приложение осуществляет операции ввода-вывода, процессор выполняет вычислительные операции другого. Образовался новый тип ОС – системы разделения времени, которая позволяет создать для каждого пользователя иллюзию единоличной работы с компьютером. Появление больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) обеспечило широкое распространение компьютеров и их использование неспециалистами в области программирования. Это потребовало разработки дружественного, интуитивно понятного программного интерфейса. Развитие средств коммуникаций обусловило развитие сетевых ОС.

К современным ОС предъявляются следующие требования:

Совместимости – ОС должна включать средства для выполнения приложений, подготовленных для других ОС;

Переносимости – обеспечение возможности переноса ОС с одной аппаратурной платформы на другую;

Надежности и отказоустойчивости – предполагает защиту ОС от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов;

Безопасности – ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других;

Расширяемости – ОС должна обеспечивать удобства внесения последующих изменений и дополнений;

Производительности – система должна обладать достаточным быстродействием.

Классификация ОС. Обычно общение пользователя с машиной протекает в интерактивном режиме. При этом темп решения задачи определяется реакцией пользователя. Если принять время реакции пользователя постоянным, то можно считать, что сложность задачи ограничивается быстродействием технических средств (при необходимости оно повышается экстенсивными методами: применением более быстродействующей элементной базы, использованием многопроцессорных или многомашинных систем). Но это односторонний подход. Огромные возможности таятся в организационных мероприятиях, к которым относится выбор оптимальных режима работы и дисциплин обслуживания; и то и другое реализуется операционными системами.

Режимы работы ПЭВМ в первую очередь определяются количеством задач, параллельно решаемых на машине (реализуемых программ). По этому признаку ОС разделяются на многозадачные и однозадачные, поддерживающие и не поддерживающие многонитевую обработку, многопользовательские и однопользовательские, на многопроцессорные и однопроцессорные.

По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС:

Однозадачные ОС (MS-DOS, ранние версии PS DOS);

Многозадачные (OS/2, UNIX, Windows).

Однозадачные ОС предоставляют пользователю виртуальной машины и включают средствами управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС дополнительно управляют разделением между задачами совместно используемых ресурсов. Среди вариантов реализации многозадачности выделяют две группы алгоритмов распределения процессорного времени:

Невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3. x и 9. х);

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

В первом случае активный процесс по окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого процесса. Во втором – решение о переключении процесса с одного процесса с одного процесса на другой принимает не активный процесс, а ОС.

Поддержка многонитевости предполагает возможность выполнения некоторых команд программы практически в один и тот же момент. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между отдельными ветвями (нитями) алгоритмов их решения (многозадачность внутри одной задачи).

По числу одновременно работающих пользователей выделяют ОС:

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

Многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Отличием многопользовательских систем является наличие средств защиты информации пользователей от несанкционированного доступа.

Многопроцессорная обработка предполагает поддержку работы нескольких процессоров и приветствует в ОС Solaris 2. x фирмы Sun, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft, NetWare 4.1. фирмы Novell и др.

Многопроцессорные ОС делятся на асимметричные и симметричные. Асимметричная ОС выполняется на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричные ОС децентрализована и использует все процессоры, разделяя между ними системные и прикладные задачи.

Очевидно, что ОС персонального компьютера менее сложна, чем ОС мэйнфреймов и суперЭВМ. Отличием сетевой ОС от локальной являются средства передачи данных между компьютерами по линиям связи и реализации протоколов передачи данных, например IP, IPX и др.

Кроме ОС, ориентированных на определенный тип аппаратной платформы, существуют мобильные ОС, легко переносимые на разные типы компьютеров. В таких ОС (например, UNIX) аппаратно-зависимые места локализованы и при переносе системы на новую платформу переписываются. Аппаратно-независимая часть реализуется на языке программирования высокого уровня на языке С, и перекомпилируется при переходе на другую платформу.

Динамическое перераспределение ресурсов ПЭВМ между несколькими задачами (способ коллективного пользования) обеспечивает либо сокращение суммарного времени решения нескольких задач, либо уменьшение времени начала обработки задачи. И то и другое при одном «обслуживающем приборе», например процессоре или принтере, достигается за счет увеличения времени решения одной (каждой) задачи. Порядок прохождения задач в машине определяет режимы реализации способа коллективного пользования: пакетной обработки и разделения времени. Пакетная обработка предполагает решение нескольких задач примерно в том же режиме, в каком работает преподаватель во время устного экзамена – его внимание занимает один из студентов. По завершении опроса внимание переключается на следующего (полагаем, что обслуживание студентов и есть решение задачи).

В режиме разделения времени процесс выполнения программ разбивается на циклы. Внутри каждого цикла обязательно появляется (если она еще не решена) та базовая задача, для которой выделен данный цикл. Остальные задачи могут решаться в этом же цикле, если их решение не препятствует решению базовой. Соседние циклы выделяются для решения разных задач, поэтому существенно увеличивается время решения каждой из них. Вместе с тем на ожидание выполнения очередной части задачи затрачивается не более чем N-1 циклов (N – число разноименных циклов, выделенных для решения N различных задач). При соответствующем выборе длительности цикла у пользователя (из-за его инерционности) создается иллюзия работы в реальном масштабе времени. Работой в реальном масштабе времени называется режим работы, при котором существуют предельные ограничения на время решения задачи, накладываемые внешней средой. Для системы управления это означает, что обработка информации должна протекать со скоростью, превышающей скорость реально протекающего управляемого процесса, с тем, чтобы имелся определенный запас времени для принятия решений и формирования соответствующих управляющих воздействий.

Для реальных условий работы характерно то, что моменты поступления задач на обработку определяются не темпом работы обслуживающего прибора (ПЭВМ, принтера и пр), а процессами, протекающими вне его. В соответствии с этим обслуживающий прибор должен решать определенную совокупность задач (реакция на сбои оборудования, заявка на связь в сети, принудительное создание резервной копии и т.д.).

При конечном быстродействии обслуживающего прибора поступающие заявки не могут быть выполнены сразу, а становятся в очередь. Процесс выбора заявки из множества ожидающих обслуживания называется диспетчеризацией, а правило диспетчеризации – дисциплиной обслуживания. Дисциплин обслуживания много, например «в порядке поступления» (FIFO – First Input First Output), «в обратном порядке» (LIFO – Last Input First Output) и др. Для сокращения времени ожидания (времени пребывания в очереди) отдельным заявкам предоставляется преимущественное право на обслуживание, называемое приоритетом, который характеризуется целым положительным числом. Наивысший приоритет назначается ОС.

Итак, при создании двоичных машинных программ прикладные программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор ее функций и сервисов, а также правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Можно сказать, что термин «операционная среда» означает соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к управляющей (супервизорной) части операционной системы с целью получить определенные сервисы.

Системных функций бывает много, они определяют те возможности, которые операционная система предоставляет выполняющимся под ее управлением приложениям. Такого рода системные запросы (вызовы системных операций, или функций) либо явно прописываются в тексте программы программистами, либо подставляются автоматически самой системой программирования на этапе трансляции исходного текста разрабатываемой программы. Каждая операционная система имеет свое множество системных функций; они вызываются соответствующим образом, по принятым в системе правилам. Совокупность системных вызовов и правил, по которым их следует использовать, как раз и определяет интерфейс прикладного программирования (API). Очевидно, что программа, созданная для работы в некоторой операционной системе, скорее всего не будут работать в другой операционной системе, поскольку API у этих операционных систем различаются. Стараясь преодолеть это ограничение, разработчики операционных систем стали создавать так называемое программные среды. Программную (системную) среду следует понимать как некоторое системное программное окружение, позволяющее выполнить все системные запросы от прикладной программы. Та системная программная среда, которая непосредственно образуется кодом операционной системы, называется основной, естественной, или нативной (native). Помимо основной операционной среды в операционной системе могут быть организованы (путем эмуляции иной операционной среды) дополнительные программные среды. Если в операционной системе организована работа с различными операционными средами, то в такой системе можно выполнять программы, созданные не только для данной, но и для других операционных систем. Можно сказать, что программы создаются для работы в некоторой заданной операционной среде. Например, можно создать программу для работы в среде DOS. Если такая программа все функции, связанные с операциями с операциями ввода-вывода и с запросами памяти, выполняет не сама, а за счет обращения к системным функциям DOS, то она будет (в абсолютном большинстве случаев) успешно выполняться и в MS DOS, и в PS DOS, и в Windows 9x, и в Windows 2000, и в OS/2, и даже в Linux.

Итак, параллельное существование терминов «операционная система» и «операционная среда» вызвано тем, что операционная система может поддерживать несколько операционных сред. Почти все современные 32-разрядные операционные системы, созданные для персональных компьютеров, поддерживают по нескольку операционных сред. Так операционная система OS/2 Warp, которая в свое время была одной из лучших в этом отношении, может выполнять следующие программы:

Основные программы, созданные с учетом соответствующего «родного» 32-разрядного программного интерфейса этой операционной системы;

16-разрядные программы, созданные для систем OS/2 первого поколения;

16-разрядные приложения, разработанные для выполнения в операционной системе MS DOS или PS DOS;

16-разрядные приложения, созданные для операционной среды Windows 3. x;

Саму оперативную оболочку Windows 3. x и уже в ней – созданные для нее программы.

А операционная система Windows XP позволяет выполнять помимо основных приложений, созданных с использованием Win32API, 16-разрядные приложения для Windows 3. x, 16-разрядные DOS-приложения, 16-разрядные приложения для первой версии OS/2.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Если говорить о пользовательских, то например, система Linux имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использовать различные «оболочки» - shell), наподобие Norton Commander, например X-Window с различными менеджерами окон - KDE, Gnome и др. Если же говорить о программных интерфейсах, то в тех же операционных системах с общим названием Linux программы могут обращаться как к операционной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графической подсистеме (если она используется). С точки зрения архитектуры процессора (и персонального компьютера в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, созданная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обращение к одной операционной среде, а во втором – к другой. И программа, созданная непосредственно для Windows, не будет выполняться в Linux; если в ОС Linux организовать полноценную операционную среду Windows, то наша Windows-программа может быть выполнена. В общем, операционная среда – это то системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.

Заключение

Итак, операционная система выполняет функции управления вычислениями в компьютере, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует ту программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной. Последнее следует понимать в том плане, что при запуске программы она будет обращаться к операционной системе с соответствующими запросами на выполнение определенных действий, или функций. Эти функции операционная система выполняет, запуская специальные системные программные модули, входящие в ее состав.

В настоящий момент около 90% персональных компьютеров используют ОС Windows, которая имеет ряд достоинств и вытеснила конкурентов из этого сегмента рынка. Более широкий класс ОС ориентирован для использования на серверах. К этому классу ОС относят: семейство Unix, разработки фирмы Microsoft, сетевые продукты Novell и корпорации IBM.

К ресурсами компьютера относятся: процессоры, память, дисковые накопители, сетевые коммуникационные средства, принтеры и другие устройства. Функцией ОС является рациональное распределение этих ресурсов между процессами с целью обеспечения максимальной эффективности функционирования компьютера.

Список использованной литературы

Гордеев А.В. Операционные системы: Учебник для вузов.2-е изд. – СПб.: Питер, 2005.

Основы информатики: Учеб. пособие / А.Н. Морозевич, Н.Н. Говядинова, В.Г. Левашенко и др.; Под ред.А.Н. Морозевича. – 2-е изд., испр. – Мн.: Новое знание, 2003.

Евсюков В.В. Экономическая информатика: Учеб. пособие – Тула: Издательство «Граф и К», 2003.

Информатика в экономике: Учеб. пособие /Под ред. проф. Б.Е. Одинцова, проф.А.Н. Романова. – М.: Вузовский учебник, 2008.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ ВЛАДИМИРСКОЙ ОБЛАСТИ

ГБОУ СПО ВО «Владимирский политехнический колледж»

По предмету: «Информатика»

На тему: «Эволюция операционных систем компьютеров различных типов»

Выполнил: студент гр. ПКС-312

Алексеев. О.О.

Введение

1. Назначение операционных систем

2. Типы операционных систем

3. История развития ОС

3.1 Развитие первых ОС

3.2 Операционные системы и глобальные сети

3.3 Операционные системы мини-компьютеров

3.4 Развитие операционных систем в 80-е, 90-е года

Заключение

Литература

Введение

Среди всех системных программ, с которыми приходится иметь дело пользователям компьютеров, особое место занимают операционные системы. Операционная система управляет компьютером, запускает программы, обеспечивает защиту данных, выполняет различные сервисные функции по запросам пользователя и программ. Каждая программа пользуется услугами ОС, а потому может работать только под управлением той ОС, которая обеспечивает для неё эти услуги.

1 . Назначение операционных систем

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

Операционная система (ОС) - комплекс программ, которые обеспечивают управление аппаратурой ЭВМ, планирование эффективного использования её ресурсов и решение задач по заданиям пользователей.

Основная цель ОС, обеспечивающей работу ЭВМ в любом из описанных режимов, - динамическое распределение ресурсов и управление ими в соответствии с требованиями вычислительных процессов (задач).

Ресурсом является всякий объект, который может распределяться операционной системой между вычислительными процессами в ЭВМ. Различают аппаратные и программные ресурсы ЭВМ. К аппаратным ресурсам относятся микропроцессор (процессорное время), оперативная память и периферийные устройства; к программным ресурсам - доступные пользователю программные средства для управления вычислительными процессами и данными. Важнейшими программными ресурсами являются программы, входящие в систему программирования; средства программного управления периферийными устройствами и файлами; библиотеки системных и прикладных программ; средства, обеспечивающие контроль и взаимодействие вычислительных процессов (задач).

Операционная система распределяет ресурсы в соответствии с запросами пользователей и возможностями ЭВМ и с учетом взаимодействия вычислительных процессов. Функции ОС также реализуются рядом вычислительных процессов, которые сами потребляют ресурсы (память, процессорное время и др.) Вычислительные процессы, относящиеся к ОС, управляют вычислительными процессами, созданными по запросу пользователей.

Считается, что ресурс работает в режиме разделения, если каждый из вычислительных процессов занимает его в течение некоторого интервала времени. Например, два процесса могут разделять процессорное время поровну, если каждому процессу дается возможность использовать процессор в течение одной секунды из каждых двух секунд. Аналогично происходит разделение всех аппаратурных ресурсов, но интервалы использования ресурсов процессами могут быть неодинаковыми. Например, процесс может получить в своё распоряжение часть оперативной памяти на весь период своего существования, но микропроцессор может быть доступен процессу только в течение одной секунды из каждых четырёх.

Операционная система является посредником между ЭВМ и её пользователем. Она делает работу с ЭВМ более простой, освобождая пользователя от обязанностей распределять ресурсы и управлять ими. Операционная система осуществляет анализ запросов пользователя и обеспечивает их выполнение. Запрос отражает необходимые ресурсы и требуемые действия ЭВМ и представляется последовательностью команд на особом языке директив операционной системы. Такая последовательность команд называется заданием.

2 . Типы операционных систем

Операционная система может выполнять запросы пользователей в пакетном или диалоговом режиме или управлять устройствами в реальном времени. В соответствии с этим различают операционные системы пакетной обработки, разделения времени и диалоговые (табл. 1).

Таблица 1

Операционные системы	Характеристики операционной системы
	Характер взаимодействия пользователя с заданием	Число одновременно обслуживаемых пользователей	Обеспечиваемый режим работы ЭВМ
Пакетной обработки	Взаимодействие невозможно или ограничено	Один или несколько	Однопрограммный или мультипрограммный
Разделения времени	Диалоговый	Несколько	Мультипрограммный
Реального времени	Оперативный		Многозадачный
Диалоговая	Диалоговый		Однопрограммный

3. История развития ОС

3 .1 Развитие первых ОС

Важный период развития ОС относится к 1965-1975 годам. В это время в технической базе вычислительных машин произошёл переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров.

В компьютерах 60-х годов большую часть действий по организации вычислительного процесса взяла на себя операционная система. Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера, непосредственно направленных на поддержку нового способа организации вычислительного процесса. При разделении ресурсов компьютера между программами необходимо обеспечить быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надёжно защитить коды и данные одной программы от непреднамеренной или преднамеренной порчи другой программы. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режим работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую, средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.

В привилегированном режиме, предназначенном для работы программных модулей операционной системы, процессор мог выполнять все команды, в том числе и те из них, которые позволяли осуществлять распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора были недоступны. Таким образом, только ОС могла управлять аппаратными средствами и исполнять роль арбитра для пользовательских программ, которые выполнялись в непривилегированном, пользовательском режиме.

3 .2 Операци онные системы и глобальные сети

В начале 70-х годов появились первые сетевые операционные системы, которые в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределённое хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

В 1969 году Министерство обороны США инициировало работы по объединению суперкомпьютеров оборонных и научно - исследовательских центров в единую сеть. Эта сеть получила название ARPANET и явилась отправной точкой для создания самой известной ныне глобальной сети - Интернета. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС с добавленными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети.

В 1974 году компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры для своих мэйнфреймов, получившей название SNA (System Network Architecture). Эта многоуровневая архитектура, во многом подобная стандартной модели OSI, появившейся несколько позже, обеспечивала взаимодействие типа «терминал - терминал», «терминал - компьютер» и «компьютер - компьютер» по глобальным связям. Нижние уровни архитектуры были реализованы специализированными аппаратными средствами, наиболее важным из которых является процессор телеобработки. Функции верхних уровней SNA выполнялись программными модулями. Один из них составлял основу программного обеспечения процессора телеобработки. Другие модули работали на центральном процессоре в составе стандартной операционной системы IBM для мэйнфреймов.

В это же время в Европе велись активные работы по созданию и стандартизации сетей X.25. Эти сети с коммутацией пакетов не были привязаны к какой-либо конкретной операционной системе. После получения статуса международного стандарта в 1974 году протоколы X.25 стали поддерживаться многими операционными системами. С 1980 года компания IBM включила поддержку протоколов X.25 в архитектуру SNA и в свои операционные системы.

3 .3 Операционные системы мини-комп ьютеров

К середине 70-х годов широкое распространение получили мини-компьютеры, такие как PDP-11, Nova, HP. Мини-компьютеры первыми использовали преимущества больших интегральных схем, позволившие реализовать достаточно мощные функции при сравнительно невысокой стоимости компьютера.

Многие функции мультипрограммных многопользовательских ОС были усечены, учитывая ограниченность ресурсов мини-компьютеров. Операционные системы мини-компьютеров часто стали делать специализированными, например только для управления в реальном времени (ОС RT-11 для мини-компьютеров PDP-11) или только для поддержания режима разделения времени (RSX-11M для тех же компьютеров). Эти операционные системы не всегда были многопользовательскими, что во многих случаях оправдывалось невысокой стоимостью компьютеров.

Важной вехой в истории операционных систем явилось создание ОС UNIX. Первоначально эта операционная система предназначалась для поддержания режима разделения времени в мини-компьютере PDP-7. С середины 70-х годов началось массовое использование ОС UNIX. К этому времени программный код для UNIX был на 90% написан на языке высокого уровня С. Широкое распространение эффективных С-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС, обладающей возможностью сравнительно лёгкого переноса на различные типы компьютеров. Поскольку эта ОС поставлялась вместе с исходными кодами, то она стала первой открытой ОС, которую могли совершенствовать простые пользователи-энтузиасты. Хотя UNIX была первоначально разработана для мини-компьютеров, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров: суперкомпьютерах, мэйнфреймах, мини-компьютерах, серверах и рабочих станциях на базе RISC-процессоров, персональных компьютерах. операционный система пользователь компьютер

Доступность мини-компьютеров и вследствие этого их распространённость на предприятиях послужили мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие могло себе позволить иметь несколько мини-компьютеров, находящихся в одном здании или даже в одной комнате. Естественно, возникала потребность в обмене информацией между ними и в совместном использовании дорогого периферийного оборудования.

Первые локальные сети строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования, в простейшем случае - путём прямого соединения последовательных портов компьютеров. Программное обеспечение также было нестандартным и реализовывалось в виде пользовательских приложений. Первое сетевое приложение для ОС UNIX - программа UUCP (UNIX-to - UNIX Copy program) - появилась в 1976 году и начала распространяться с версией 7 AT&T UNIX с 1978 года. Эта программа позволяла копировать файлы с одного компьютера на другой в пределах локальной сети через различные аппаратные интерфейсы - RS-232, токовую петлю и т.п., а кроме того, могла работать через глобальные связи, например модемные.

3 .4 Развитие операционных систем в 80 -е , 90-е года

К наиболее важным событиям этого десятилетия можно отнести разработку стека TCP/IP, становление Интернета, стандартизацию технологий локальных сетей, появление персональных компьютеров и операционных систем для них.

Рабочий вариант стека протоколов TCP/IP был создан в конце 70-х годов. Этот стек представлял собой набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды и предназначался для связи экспериментальной сети ARPANET с другими «сателлитными» сетями. В 1983 году стек протоколов TCP/IP был принят Министерством обороны США в качестве военного стандарта. Переход компьютеров сети ARPANET на стек TCP/IP ускорила его реализация для операционной системы BSD UNIX. С этого времени началось совместное существование UNIX и протоколов TCP/IP, а практически все многочисленные версии Unix стали сетевыми.

Интернет стал отличным полигоном для испытаний многих сетевых операционных систем, позволившим в реальных условиях проверить возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной загрузке, создаваемой сотнями и тысячами пользователей. Независимость от производителей, гибкость и эффективность сделали протоколы TCP/IP не только главным транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых ОС.

Также широкое распространение получили операционные системы MS-DOS фирмы Microsoft, PC DOS фирмы IBM, Novell DOS фирмы Novell и другие. Первая ОС DOS для персонального компьютера была создана в 1981 г. называлась MS-DOS 1.0. Microsoft приобрела у Seattle Computer Products право на 86 - DOS, адаптировала эту ОС для тогда еще секретных IBM PC и переименовала ее в MS-DOS. В августе 1981 года DOS 1.0 работает с одной 160К односторонней дискетой. Системные файлы занимают до 13 К: для нее требуется 8-К ОЗУ. Май 1982 DOS 1.1 позволяет работать с двухсторонними дискетами. Системные файлы занимают до 14К. Март 1983 Появления DOS 2.0 вместе с IBM PC XT. Созданная заново эта версия имеет почти втрое больше команд чем DOS 1.1. Теперь она дает возможность использовать 10 Mбайт жесткого диска. Древовидную структуру файловой системы и 360-К гибких дисков. Новый 9-секторный формат диска увеличивает ёмкость на 20% по сравнению с 8-секторным форматом. Системные файлы занимают до 41К для работы системы требуется 24-К ОЗУ. Декабрь 1983 Вместе с PCjr появилась система PC-DOS 2.1 фирмы IBM.

Август 1984. Вместе с первыми IBM PC AT на базе процессора 286 появляется DOS 3.0. Она ориентируется на 1,2 Мб гибкие диски и жесткие диски большей чем раньше емкостью. Системные файлы занимают до 60Кб. Ноябрь 1984. DOS 3.1 поддерживает сети Microsoft системные файлы занимают до 62К. Ноябрь 1985. Появление Microsoft Windows. Декабрь 1985. DOS 3.2 работает с 89-мм дискетами на 720К. Она может адресовать до 32 Мбайт на отдельном жестком диске. Системные файлы занимают до 72К. Апрель 1986. Появление IBM PC Convertihle. Сентябрь 1986. Compaq выпускает первый ПК класса 386. Апрель 1987. Вместе с PS/2 первым ПК фирмы IBM класса 386 появляется DOS 3.3. Она работает с новыми 1.44 Мбайт гибкими дисками и несколькими типами разбития жесткого диска на разделы объемом до 32 Мбайт каждый, что позволяет использовать жесткие диски большой емкостью. Системные файлы занимают до 76 К для работы системы требуется 85К ОЗУ. MS-DOS была наиболее популярна и продержалась 3-4 года. Одновременно IBM объявила о выпуске OS/2. Ноябрь 1987. Начало поставки Microsoft Windows 2.0 и OS/2. Июль 1988 появляется Microsoft Windows 2.1 (Windows/286 Windows/386). Ноябрь 1988. DOS 4.01 включает интерфейс, меню оболочки и обеспечивает разбиение жесткого диска на разделы, объем которых превышает 32 Мбайта. Системные файлы занимают до 108К; для работы системы требуется 75К ОЗУ. Май 1990. Появляется Microsoft Windows 3.0 и DR DOS 5.0. Июнь 1991. MS-DOS 5.0 имеет свои особенности то, что она позволяет эффективно использовать ОП. DOS 5.0 обладает улучшенными интерфейсами меню оболочки, полноэкранным редактором, утилитами на диске и и возможность смены задач. Системные файлы занимают до 118К: для работы системы требуется 60-К ОЗУ, а 45 К можно загрузить в область памяти с адресами старше 1 Мбайт, что освобождает место в обычной памяти для работы прикладных программ MS-DOS 6.0 кроме стандартного набора программ. Имеет в своем составе программы для резервного копирования, антивирусную программу и другие усовершенствования в ОС MS-DOS 6.21 и MS-DOS 6.22.

Начало 80-х годов связано с ещё одним знаменательным для истории операционных систем событием-появлением персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость была существенно ниже. Персональные компьютеры послужили мощным катализатором для бурного роста локальных сетей. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

Заключение

История ОС насчитывает примерно полвека. Она во многом определялась и определяется развитием элементной базы и вычислительной аппаратуры. На данный момент мировая компьютерная индустрия развивается очень стремительно. Производительность систем возрастает, а следовательно возрастают возможности обработки больших объёмов данных. Операционные системы класса MS-DOS уже не справляются с таким потоком данных и не могут целиком использовать ресурсы современных компьютеров. Поэтому в последнее время происходит переход на более мощные и наиболее совершенные операционные системы класса UNIX, примером которых и является Windows NT, выпущенная корпорацией Microsoft.

Литература

1. В.Э. Фигурнов IВМ РС для пользователей. Изд. 7-е, перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2000. - 640 с.: ил.

2. Ахметов К.С. Курс молодого бойца. Изд. 5-е, перераб. и доп. - М.: Компьютер Пресс, 1998. - 365 с.: ил.

3.Системное программное обеспечение./В.М. Илюшечкин, А.Е. Костин Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 128 с.: ил.

4. Олифер В.Г. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2002.-538 с.

5. Операционные системы: [Сборник/ Ред.Б.М. Васильев].-М.: Знание, 1990-47 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

История появления первых операционных систем, мультипрограммные операционные системы для мэйнфреймов. Первые локальные и глобальные сети. Развитие операционных систем в 80-е годы. Построение двумерных графиков в MathCAD, решение систем уравнений.

контрольная работа , добавлен 11.06.2014

Особенности современного этапа развития операционных систем. Назначение операционных систем, их основные типы. Операционные системы мини-компьютеров. Принцип работы матричного принтера, проектирование и воспроизведение произвольных символов для них.

курсовая работа , добавлен 23.06.2011

Концепция операционных систем: главное назначение, основные функции и типы. Характеристика и оценка возможностей Microsoft Windows и Linux. Подбор операционной системы для рабочих персональных компьютеров и для сервера на предприятии ООО "Газ-сервес".

дипломная работа , добавлен 16.06.2012

Операционные системы пакетной обработки, разделения времени, реального времени. Особенности алгоритмов управления ресурсами. Поддержка многопользовательского режима. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Операционные системы и глобальные сети.

реферат , добавлен 11.12.2011

Исторические предшественники компьютеров. Появление первых персональных компьютеров. Концепция открытой архитектуры ПК. Развитие элементной базы компьютеров. Преимущества многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными.

курсовая работа , добавлен 27.04.2013

Создание компанией Microsoft операционной системы MS-DOS и повсеместное использование персональных компьютеров. Необходимость создания более удобной для пользователя операционной системы, разработка и эволюция Windows, появление интернет-приложений.

презентация , добавлен 29.10.2012

Характеристики различных моделей портативных компьютеров. Возможности оперативных систем. ЭВМ и вычислительные системы. Порядок выбора портативных компьютеров и ОС. Выбор портативного компьютера для оснащения ими сотрудников консалтинговой фирмы.

дипломная работа , добавлен 23.06.2012

Определение назначения, характеристика типов операционных систем и анализ многозадачности в системах пакетной обработки. Ознакомление с приемами управления работой печатающих устройств в MS-DOS и формирование новых команд и символов матричного принтера.

курсовая работа , добавлен 22.06.2011

Понятие и особенности операционной системы UNIX как одной из самых популярных в мире операционных систем, история разработки и развития. Оценка возможности постоянного наращивания мощности кластера путем присоединения дополнительных компьютеров.

презентация , добавлен 23.10.2013

Анализ и оценка, производимых в настоящее время, портативных компьютеров, соответствующих операционных систем, в совокупности с экскурсом в историю их появления и развития. Классификация и функции процессоров для ноутбуков. ОС для портативных компьютеров.

Эволюция операционных систем

Появление первых операционных систем

Особенности современного этапа развития операционных систем

Выводы

Задачи и упражнения

История любой отрасли науки или техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений этой отрасли, осознать существующие тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития. За почти полувековой период своего существования операционные системы прошли сложный путь, насыщенный многими важными событиями. Огромное влияние на развитие операционных систем оказали успехи в совершенствовании элементной базы и вычислительной аппаратуры, поэтому многие этапы развития ОС тесно связаны с появлением новых типов аппаратных платформ, таких как мини-компьютеры или персональные компьютеры. Серьезную эволюцию операционные системы претерпели в связи с новой ролью компьютеров в локальных и глобальных сетях. Важнейшим фактором развития ОС стал Интернет. По мере того как эта Сеть приобретает черты универсального средства массовых коммуникаций, ОС становятся все более простыми и удобными в использовании, включают развитые средства поддержки мультимедийной информации, снабжаются надежными средствами защиты.

Появление первых операционных систем

Идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэбиджем (Charles Babage) в середине девятнадцатого века. Его механическая «аналитическая машина» так и не смогла по-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям, необходимым для изготовления нужных деталей точной механики. Конечно, никакой речи об операционной системе для этого «компьютера» не шло.

Настоящее рождение цифровых вычислительных машин произошло вскоре после окончания Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, ив программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, которые программист мог использовать для того, чтобы не писать каждый раз коды, вычисляющие значение какой-либо математической функции или управляющие стандартным устройством ввода-вывода. Операционные системы все еще не появились, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления, который представлял собой примитивное устройство ввода-вывода, состоящее из кнопок, переключателей и индикаторов. С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти. Компьютеры стали более надежными, теперь они могли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.

Наряду с совершенствованием аппаратуры заметный прогресс наблюдался также в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. В эти годы появились первые алгоритмические языки, и таким образом к библиотекам математических и служебных подпрограмм добавился новый тип системного программного обеспечения - трансляторы.

Выполнение каждой программы стало включать большое количество вспомогательных работ: загрузка нужного транслятора (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ и т. п.), запуск транслятора и получение результирующей программы в машинных кодах, связывание программы с библиотечными подпрограммами, загрузка программы в оперативную память, запуск программы, вывод результатов на периферийное устройство. Для организации эффективного совместного использования трансляторов, библиотечных программ и загрузчиков в штат многих вычислительных центров были введены должности операторов, профессионально выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра.

Но как бы быстро и надежно ни работали операторы, они никак не могли состязаться в производительности с работой устройств компьютера. Большую часть времени процессор простаивал в ожидании, пока оператор запустит очередную задачу. А поскольку процессор представлял собой весьма дорогое устройство, то низкая эффективность его использования означала низкую эффективность использования компьютера в целом. Для решения этой проблемы были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой последовательности он хочет выполнить на вычислительной машине. Типовой набор директив обычно включал признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных.

Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались на выполнение управляющей программой - монитором. Кроме того, монитор был способен самостоятельно обрабатывать наиболее часто встречающиеся при работе пользовательских программ аварийные ситуации, такие как отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т. д. Пакет обычно представлял собой набор перфокарт, но для ускорения работы он мог переноситься на более удобный и емкий носитель, например на магнитную ленту или магнитный диск. Сама программа-монитор в первых реализациях также хранилась на перфокартах или перфоленте, а в более поздних - на магнитной ленте и магнитных дисках.

Ранние системы пакетной обработки значительно сократили затраты времени на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса, а значит, был сделан еще один шаг по повышению эффективности использования компьютеров. Однако при этом программисты-пользователи лишились непосредственного доступа к компьютеру, что снижало эффективность их работы - внесение любого исправления требовало значительно больше времени, чем при интерактивной работе за пультом машины.

Появление мультипрограммных операционных систем для мэйнфреймов

Следующий важный период развития операционных систем относится к 1965-1975 годам.

В это время в технической базе вычислительных машин произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров. Большие функциональные возможности интегральных схем сделали возможным реализацию на практике сложных компьютерных архитектур, таких, например, как IBM/360.

В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа. В эти годы начинается расцвет системного программирования. Из направления прикладной математики, представляющего интерес для узкого круга специалистов, системное программирование превращается в отрасль индустрии, оказывающую непосредственное влияние на практическую деятельность миллионов людей. Революционным событием данного этапа явилась промышленная реализация мультипрограммирования. (Заметим, что в виде концепции и экспериментальных систем этот способ организации вычислений существовал уже около десяти лет.) В условиях резко возросших возможностей компьютера по обработке и хранению данных выполнение только одной программы в каждый момент времени оказалось крайне неэффективным. Решением стало мультипрограммирование - способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Эти усовершенствования значительно улучшили эффективность вычислительной системы: компьютер теперь мог использоваться почти постоянно, а не менее половины времени работы компьютера, как это было раньше.

Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах - в системах пакетной обработки и разделения времени.

Мультипрограммные системы пакетной обработки так же, как и их однопрограммные предшественники, имели своей целью обеспечение максимальной загрузки аппаратуры компьютера, однако решали эту задачу более эффективно. В мультипрограммном пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода (как это происходило при последовательном выполнении программ в системах ранней пакетной обработки), а переключался на другую готовую к выполнению программу. В результате достигалась сбалансированная загрузка всех устройств компьютера, а следовательно, увеличивалось число задач, решаемых в единицу времени. В мультипрограммных системах пакетной обработки пользователь по-прежнему был лишен возможности интерактивно взаимодействовать со своими программами. Для того чтобы хотя бы частично вернуть пользователям ощущение непосредственного взаимодействия с компьютером, был разработан другой вариант мультипрограммных систем - системы разделения времени. Этот вариант рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом. В числе первых операционных систем разделения времени, разработанных в середине 60-х годов, были TSS/360 (компания IBM), CTSS и MULTICS (Массачусетский технологический институт совместно с Bell Labs и компанией General Electric). Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, был нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного владения вычислительной машиной за счет периодического выделения каждой программе своей доли процессорного времени. В системах разделения времени эффективность использования оборудования ниже, чем в системах пакетной обработки, что явилось платой за удобства работы пользователя.

Многотерминальный режим использовался не только в системах разделения времени, но и в системах пакетной обработки. При этом не только оператор, но и все пользователи получали возможность формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. Такие операционные системы получили название систем удаленного ввода заданий. Терминальные комплексы могли располагаться на большом расстоянии от процессорных стоек, соединяясь с ними с помощью различных глобальных связей - модемных соединений телефонных сетей или выделенных каналов. Для поддержания удаленной работы терминалов в операционных системах появились специальные программные модули, реализующие различные (в то время, как правило, нестандартные) протоколы связи, Такие вычислительные системы с удаленными терминалами, сохраняя централизованный характер обработки данных, в какой-то степени являлись прообразом современных сетей, а соответствующее системное программное обеспечение - прообразом сетевых операционных систем.

К этому времени можно констатировать существенное изменение в распределении функций между аппаратными и программными средствами компьютера. Операционные системы становились неотъемлемыми элементами компьютеров, играя роль «продолжения» аппаратуры. В первых вычислительных машинах программист, напрямую взаимодействуя с аппаратурой, мог выполнить загрузку программных кодов, используя пультовые переключатели и лампочки индикаторов, а затем вручную запустить программу на выполнение, нажав кнопку «пуск». В компьютерах 60-х годов большую часть действий по организации вычислительного процесса взяла на себя операционная система. (В большинстве современных компьютеров не предусмотрено даже теоретической возможности выполнения какой-либо вычислительной работы без участия операционной системы. После включения питания автоматически происходит поиск, загрузка и запуск операционной системы, а в случае ее отсутствия компьютер просто останавливается.)

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера, непосредственно направленных на поддержку нового способа организации вычислительного процесса. При разделении ресурсов компьютера между программами необходимо обеспечить быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надежно защитить коды и данные одной программы от непреднамеренной или преднамеренной порчи другой программой. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режимы работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую, средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.

В привилегированном режиме, предназначенном для работы программных модулей операционной системы, процессор мог выполнять все команды, в том числе и те из них, которые позволяли осуществлять распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора были недоступны. Таким образом, только ОС могла управлять аппаратными средствами и исполнять роль монитора и арбитра для пользовательских программ, которые выполнялись в непривилегированном, пользовательском режиме.

Система прерываний позволяла синхронизировать работу различных устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, таких как каналы ввода-вывода, диски, принтеры и т. п. Аппаратная поддержка операционных систем стала с тех пор неотъемлемым свойством практически любых компьютерных систем, включая персональные компьютеры.

Еще одной важной тенденцией этого периода является создание семейств программно-совместимых машин и операционных систем для них. Примерами семейств программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, являются серии машин IBM/360 и IBM/370 (аналоги этих семейств советского производства - машины серии ЕС), PDP-11 (советские аналоги - CM-3, CM-4, CM-1420). Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Однако такая совместимость подразумевает возможность работы на больших и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными. Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. Операционные системы этого поколения были очень дорогими. Так, разработка OS/360, объем кода для которой составил 8 Мбайт, стоила компании IBM 80 миллионов долларов.

Однако несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы этого поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. За это десятилетие был сделан огромный шаг вперед и заложен прочный фундамент для создания современных операционных систем.

Операционные системы и глобальные сети

В начале 70-х годов появились первые сетевые операционные системы, которые в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

Хотя теоретические работы по созданию концепций сетевого взаимодействия велись почти с самого появления вычислительных машин, значимые практические результаты по объединению компьютеров в сети были получены в конце 60-х, когда с помощью глобальных связей и техники коммутации пакетов удалось реализовать взаимодействие машин класса мэйнфреймов и суперкомпьютеров. Эти дорогостоящие компьютеры часто хранили уникальные данные и программы, доступ к которым необходимо было обеспечить широкому кругу пользователей, находившихся в различных городах на значительном расстоянии от вычислительных центров.

В 1969 году Министерство обороны США инициировало работы по объединению суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров в единую сеть. Эта сеть получила название ARPANET и явилась отправной точкой для создания самой известной ныне глобальной сети - Интернета. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС с добавленными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети.

В 1974 году компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры для своих мэйнфреймов, получившей название SNA (System Network Architecture). Эта многоуровневая архитектура, во многом подобная стандартной модели OSI, появившейся несколько позже, обеспечивала взаимодействие типа «терминал-терминал», «терминал-компьютер» и «компьютер-компьютер» по глобальным связям. Нижние уровни архитектуры были реализованы специализированными аппаратными средствами, наиболее важным из которых является процессор телеобработки. Функции верхних уровней SNA выполнялись программными модулями. Один из них составлял основу программного обеспечения процессора телеобработки. Другие модули работали на центральном процессоре в составе стандартной операционной системы IBM для мэйнфреймов.

В это же время в Европе велись активные работы по созданию и стандартизации сетей Х.25. Эти сети с коммутацией пакетов не были привязаны к какой-либо конкретной операционной системе. После получения статуса международного стандарта в 1974 году протоколы Х.25 стали поддерживаться многими операционными системами. С 1980 года компания IBM включила поддержку протоколов Х.25 в архитектуру SNA и в свои операционные системы.

Операционные системы мини-компьютеров и первые локальные сети

К середине 70-х годов наряду с мэйнфреймами широкое распространение получили мини-компьютеры, такие как PDP-11, Nova, HP. Мини-компьютеры первыми использовали преимущества больших интегральных схем, позволившие реализовать достаточно мощные функции при сравнительно невысокой стоимости компьютера.

Архитектура мини-компьютеров была значительно упрощена по сравнению с мэйнфреймами, что нашло отражение и в их операционных системах. Многие функции мультипрограммных многопользовательских ОС мэйнфреймов были усечены, учитывая ограниченность ресурсов мини-компьютеров. Операционные системы мини-компьютеров часто стали делать специализированными, например только для управления в реальном времени (ОС RT-11 для мини-компьютеров PDP-11) или только для поддержания режима разделения времени (RSX-11M для тех же компьютеров). Эти операционные системы не всегда были многопользовательскими, что во многих случаях оправдывалось невысокой стоимостью компьютеров.

Важной вехой в истории мини-компьютеров и вообще в истории операционных систем явилось создание ОС UNIX. Первоначально эта ОС предназначалась для поддержания режима разделения времени в мини-компьютере PDP-7. С середины 70-х годов началось массовое использование ОС UNIX. К этому времени программный код для UNIX был на 90 % написан на языке высокого уровня С. Широкое распространение эффективных С-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС, обладающей возможностью сравнительно легкого переноса на различные типы компьютеров. Поскольку эта ОС поставлялась вместе с исходными кодами, то она стала первой открытой ОС, которую могли совершенствовать простые пользователи-энтузиасты. Хотя UNIX была первоначально разработана для мини-компьютеров, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров: суперкомпьютерах, мэйнфреймах, мини-компьютерах, серверах и рабочих станциях на базе RISC-процессоров, персональных компьютерах.

Доступность мини-компьютеров и вследствие этого их распространенность на предприятиях послужили мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие могло себе позволить иметь несколько мини-компьютеров, находящихся в одном здании или даже в одной комнате. Естественно, возникала потребность в обмене информацией между ними и в совместном использовании дорогого периферийного оборудования.

Первые локальные сети строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования, в простейшем случае - путем прямого соединения последовательных портов компьютеров. Программное обеспечение также было нестандартным и реализовывалось в виде пользовательских приложений. Первое сетевое приложение для ОС UNIX - программа UUCP (UNIX-to-UNIX Copy program) -. появилась в 1976 году и начала распространяться с версией 7 AT&T UNIX с 1978 года. Эта программа позволяла копировать файлы с одного компьютера на другой в пределах локальной сети через различные аппаратные интерфейсы - RS-232, токовую петлю и т. п., а кроме того, могла работать через глобальные связи, например модемные.

Развитие операционных систем в 80-е годы

Внедрение протоколов TCP/IP в ARPANET придало этой сети все основные черты, которые отличают современный Интернет. В 1983 году сеть ARPANET была разделена на две части: MILNET, поддерживающую военные ведомства США, и новую ARPANET. Для обозначения составной сети ARPANET и MILNET стало использоваться название Internet, которое в русском языке со временем (и с легкой руки локализаторов Microsoft) превратилось в Интернет. Интернет стал отличным полигоном для испытаний многих сетевых операционных систем, позволившим проверить в реальных условиях возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной нагрузке, создаваемой сотнями и тысячами пользователей. Стек протоколов TCP/IP также ждала завидная судьба. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой в Интернете, а также открытость и доступность стандартов сделали протоколы TCP/IP не только главным транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых операционных систем.

Все десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, все более совершенных версий ОС UNIX. Среди них были и фирменные версии UNIX: SunOS, HP-UX, Irix, AIX и многие другие, в которых производители компьютеров адаптировали код ядра и системных утилит для своей аппаратуры. Разнообразие версий породило проблему их совместимости, которую периодически пытались решить различные организации. В результате были приняты стандарты POSIX и XPG, определяющие интерфейсы ОС для приложений, а специальное подразделение компании AT&T выпустило несколько версий UNIX System III и UNIX System V, призванных консолидировать разработчиков на уровне кода ядра.

Начало 80-х годов связано с еще одним знаменательным для истории операционных систем событием - появлением персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость была существенно ниже. Если мини-компьютер позволил иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер дал такую возможность отдельному человеку. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения, и предоставление этих «дружественных» функций стало прямой обязанностью операционных систем. Персональные компьютеры послужили также мощным катализатором для бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен компьютеров, принадлежащих одному предприятию и расположенных в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

Однако и дружественный интерфейс, и сетевые функции появились у операционных систем персональных компьютеров не сразу. Первая версия наиболее популяркой операционной системы раннего этапа развития персональных компьютеров - MS-DOS компании Microsoft - была лишена этих возможностей. Это была однопрограммная однопользовательская ОС с интерфейсом командной строки, способная стартовать с дискеты. Основными задачами для нее были управление файлами, расположенными на гибких и жестких дисках в UNIX-подобной иерархической файловой системе, а также поочередный запуск программ. MS-DOS не была защищена от программ пользователя, так как процессор Intel 8088 не поддерживал привилегированного режима. Разработчики первых персональных компьютеров считали, что при индивидуальном использовании компьютера и ограниченных возможностях аппаратуры нет смысла в поддержке мультипрограммирования, поэтому в процессоре не были предусмотрены привилегированный режим и другие механизмы поддержки мультипрограммных систем.

Недостающие функции для MS-DOS и подобных ей ОС компенсировались внешними программами, предоставлявшими пользователю удобный графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров оказала операционная среда Windows компании Microsoft, представлявшая собой надстройку над MS-DOS.

Сетевые функции также реализовывались в основном сетевыми оболочками, работавшими поверх ОС. При сетевой работе всегда необходимо поддерживать многопользовательский режим, при котором один пользователь - интерактивный, а остальные получают доступ к ресурсам компьютера по сети. В таком случае от операционной системы требуется хотя бы некоторый минимум функциональной поддержки многопользовательского режима. История сетевых средств MS-DOS началась с версии 3.1. Эта версия MS-DOS добавила к файловой системе необходимые средства блокировки файлов и записей, которые позволили более чем одному пользователю иметь доступ к файлу. Пользуясь этими функциями, сетевые оболочки могли обеспечить разделение файлов между сетевыми пользователями.