| Лекция 2
Требования к современным ОС
- Главные требования:
- выполнение основных функций эффективного управления ресурсами
- обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ
Требования к современным ОС
- Расширяемость
- Переносимость или многоплатформенность
- Совместимость
- Надежность и отказоустойчивость
- Безопасность
- Производительность
1. Расширяемость ОС
- ОС всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств
- Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой
- Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС (программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс)
2. Переносимость или многоплатформенность
- В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа
- Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ
3. Совместимость
- Для пользователя, переходящего с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой ОС привычного приложения.
- Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС
- Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС
4. Надежность и отказоустойчивость
- ОС должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов.
- Действия ОС должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС.
- Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации
- Важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.
5. Безопасность
- Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа.
- средства аутентификации — определения легальности пользователей
- авторизации — предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам
- аудита — фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий
- В сетевых ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.
6. Производительность
- ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа
- На производительность ОС влияют:
- архитектура ОС
- многообразие функций
- качество программирования кода
- возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе
Основные принципы построения операционных систем
- Модульности
- Функциональной избирательности
- Генерируемости
- Функциональной избыточности
- Виртуализации
- Независимости программ от внешних устройств
- Совместимости
- Открытой и наращиваемой ОС
- Мобильности (переносимости)
- Обеспечения безопасности вычислений
Принцип модульности ОС
- Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.
- Модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов
- Наибольший эффект от его использования достижим, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру
Принцип функциональной избирательности
- В ОС выделяется некоторая часть важных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса (ядро)
- При формировании состава ядра требуется учитывать два противоречивых требования.
- 1) В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули.
- 2) Количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим.
- Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости
и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями.
Принцип генерируемости ОС
- Этот принцип позволяет настраивать центральную системную управляющую программу ОС, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач.
- Эта процедура проводится редко, перед протяженным периодом эксплуатации ОС.
- Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины.
- Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы
Принцип функциональной избыточности
- Этот принцип учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами
- Позволяет:
- быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы
- обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач
- получить максимальную производительность при решении заданного класса задач
Принцип виртуализации
- Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.
- Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины
.
- Любая ОС скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией.
Принцип виртуализации
- Виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками:
- единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема.
- произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы.
- произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств.
Принцип независимости программ от внешних устройств
- Связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования её исполнения
- В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется.
- Принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами независимо от их конкретных физических характеристик
Принцип совместимости
- Это способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.
- Двоичная совместимость
достигаетс, когда можно запустить исполняемую программу на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы:
- совместимость на уровне команд процессора,
- совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.
- Совместимость на уровне исходных текстов
требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.
Принцип открытой и наращиваемой ОС
- Открытая ОС доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам, обслуживающим вычислительную систему.
- Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д.
- Необходимо, чтобы можно было внести дополнения и изменения, и не нарушить целостность системы.
Принцип мобильности (переносимости)
- Операционная система относительно легко должна переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.
- Большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. То есть ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном.
- Важно минимизировать или исключить части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами.
- Если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе.
Принцип обеспечения безопасности вычислений
- Правила безопасности определяют свойства:
- защита ресурсов одного пользователя от других
- установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов
- Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе
Классификация ОС
по числу одновременно выполняемых задач
- однозадачные (MS DOS) и
- многозадачные
- Системы пакетной обработки (ОС ЕС)
- Системы с разделением времени (Unix, Linux, Windows)
- Системы реального времени (RT11, QNX)
Классификация ОС
по числу одновременно работающих пользователей на ЭВМ ОС разделяются на
- однопользовательские (MS DOS);
- многопользовательские (Unix, Linux, Windows 95 - XP)
Классификация ОС
по типу лицензии:
- проприетарная (семейство Windows)
- открытая (большинство Linux и UNIX систем).
Классификация ОС
по архитектуре:
- микроядерные (VxWorks, QNX);
- монолитные (Windows XP);
- гибридные (Windows NT, большинство Linux);
Классификация ОС
по использованию процессора:
- однопроцессорные;
- многопроцессорные системы (начиная с OS/2, Net Ware, Widows NT, большинство современных ОС).
Классификация ОС
по применению:
- рабочих станций (DOS, МАС OS, Windows 98, XP, Vista),
- серверов (AIX, Windows 2000, Windows Server 2003, Windows Vista Server 2008),
- ОС реального времени;
- встроенные ОС (VxWorks, QNX, Nucleus),
- для мобильных устройств (Windows CE, Pocket PC, Windows Mobile, Palm OS, Symbian OS),
- для сетевых маршрутизаторов (IOS от Cisco),
Классификация ОС
по возможности сетевого взаимодействия:
- локальные (DOS);
- сетевые (Netware 3.x – 6.x, UNIX, Linux, FreeBSD).
ОС как система управления ресурсами
основные ресурсы современных вычислительных систем:
- Процессоры
- Основная память
- Таймеры
- Наборы данных
- Диски
- Принтеры
- Сетевые устройства
- и др.
Ресурсы распределяются между процессами.
Процесс
- Процесс (задача) – базовое понятие большинства современных ОС.
- Процесс – программа в стадии выполнения.
- Программа – это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными.
- Процесс — это динамический объект, который возникает в ОС после того, как пользователь или ОС решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы.
Задачи ОС по управлению ресурсами
Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является назначением ОС.
Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:
- планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
- удовлетворение запросов на ресурсы;
- отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;
- разрешение конфликтов между процессами.
|