Классификация операционных систем

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера, особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Так, например, операционные системы делятся на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

Операционные системы могут классифицироваться по следующим показателям:

1. количество пользователей:

· однопользовательские ОС (МS DOS);

· многопользовательские ОС (UNIX).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

2. способы построения ядра системы:

· ОС с монолитным ядром;

· ОС с микроядром.

Некоторые ОС используют монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС – серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой – ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать.

3. особенности методов построения:

· с использованием объектно-ориентированного подхода;

· без использования объектно-ориентированного подхода.

Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структуризованность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.

Также к особенностям методов построения можно отнести наличие в ОС нескольких прикладных сред. Это дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для других ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS DOS, Windows, UNIX, OS/2. Концепция множественных прикладных сред реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.

4. количество решаемых задач:

· однозадачные ОС (МS DOS, MSX);

· многозадачные ОС (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 2000, Windows NT, Windows XP).

Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной. Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем. Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

· системы пакетной обработки (OC EC);

· системы разделения времени (UNIX, Windows XP);

· системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки являлась максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий получила название пакета заданий. Для одновременного выполнения выбирались задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходило только в случае, если активная задача сама отказывалась от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода/вывода.

Системы разделения времени. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Каждой задаче выделяется квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго. У всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени. Они применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.д. Существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме и т.д. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата. Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы – реактивностью.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени.

Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

· невытесняющая многозадачность (NetWare);

· вытесняющая многозадачность (Windows NT, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

5. поддержка многонитевости:

· поддерживает многонитевость (многопоточность);

· не поддерживает многонитевость.

Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями или потоками).

6. многопроцессорная обработка:

· поддерживает многопроцессорную обработку;

· не поддерживает многопроцессорную обработку.

Отсутствие или наличие в ОС средств поддержки многопроцессорной обработки (мультипроцессирование) – важное свойство ОС. Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама ОС, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

· асимметричные ОС;

· симметричные ОС.

Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все процессоры, разделяя их между системными и прикладными задачами.

7. особенности аппаратных платформ:

· ОС персональных компьютеров;

· ОС мини-компьютеров;

· ОС мейнфреймов;

· ОС кластеров;

· сетевые или распределенные ОС.

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. Сетевая ОС имеет в своем составе средства разделения ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети.

В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер – слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС.

Ярким примером такой ОС является UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающим перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С.