ЛЕКЦИЯ №2 Классификация операционных систем

Классификация зависит от выбранного критерия. ОС классифицируют по их назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и по архитектурным особенностям систем. Рассмотрим вкратце основные моменты каждого из способов классификации.

1 По назначению. ОС подразделяются на операционные системы общего и специального назначения. ОС специального назначения, в свою очередь, подразделяют на системы для переносимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, для организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т.п.

2 По организации работы с вычислительной системой. По организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме ОС различают однопользовательские (однотерминальные) и мультитерминальные ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, при этом у каждого из них сохраняется иллюзия того, что он работает со своей собственной отдельной вычислительной системой. Очевидно, что для организации мультитерминального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы (Linux).

3 По способам построения. По архитектурным особенностям ОС разделяются на монолитные и микроядерные. Это разделение в некоторой степени условно, хотя существуют и типичные представители каждого класса. Например, микроядерной является ОС реального времени QNX, а монолитными – Windows 95/98 и ОС Linux. Две последние принципиально различаются тем, что ядро Windows пользователь не может изменить, ему недоступны исходные коды системы и нет программы для сборки (компиляции) этого ядра. А в системе Linux пользователь может сам собрать ядро, включив в него те программные модули и драйверы, которые он считает целесообразным. Подробно особенности архитектуры ОС будут рассмотрены позднее.

4 По режиму обработки. По режиму обработки различают ОС, поддерживающие однопрограммный и мультипрограммный режимы работы.

Мультипрограммирование, или многозадачность – такой способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько программ. Эти программы совместно используют процессор, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода, данные.

При мультипрограммировании на однопроцессорной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких задач. Любая задержка в ходе работы программы используется для выполнения других программ.

Мультипрограммирование призвано повысить эффективность использования вычислительной системы, но при этом "эффективность" можно понимать по-разному. Существует несколько критериев эффективности вычислительных систем:

Пропускная способность – количество задач, выполняемых системой в единицу времени;

Удобство работы пользователей – например, возможность интерактивно работать одновременно с несколькими приложениями на одной машине;

Реактивность системы – способность системы выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением результата.

В зависимости от выбранного критерия эффективности ОС делятся соответственно на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. Каждый тип ОС имеет специфические внутренние механизмы и особые области применения. Некоторые ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов.

Рассмотрим основные особенности каждого типа систем.

Системы пакетной обработки

Главным критерием эффективности таких систем является пропускная способность, следовательно, главной целью является минимизация простоев всех устройств компьютера, и, прежде всего, центрального процессора. Для достижения этой цели используется следующая схема функционирования. В начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требования к ресурсам. Из этого пакета формируется мультипрограммная смесь, т.е. множество одновременно выполняемых задач. Критерием отбора здесь является наличие разных требований к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Например, вычислительные задачи группируются с задачами с интенсивным вводом-выводом. Выбор нового задания из пакета зависит от внутренней ситуации, т.е. выбирается "выгодное" задание. Понятно, что в таких ОС невозможно гарантировать выполнения задания в течение определенного периода времени.

Максимальный эффект ускорения достигается при наиболее полном перекрытии вычислений и ввода-вывода. Общее время выполнения смеси задач оказывается меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. Но выполнение отдельной задачи может занять больше времени, чем требуется при монопольном выделении ей процессора. При совместном использовании процессора могут возникнуть ситуации, когда задача готова выполняться, но ждет освобождения процессора, т.к. он занят другой задачей – это удлиняет срок ее выполнения.

В системах пакетной обработки переключение процессора с одной задачи на выполнение другой происходит по инициативе самой активной задачи (например, когда она отказывается от процессора из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода). Следовательно, возможен монопольный захват процессора одним процессом, который по какой-либо причине (например, зацикливание) не может передать управление.

Системы разделения времени

Пользователю предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность "общения" с пользователем.

Эта проблема решается за счет того, что ОС периодически принудительно останавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, следовательно, ни одна задача не может занять процессор надолго и поэтому время ответа оказывается приемлемым. Пропускная способность у таких систем ниже, т.к. решаются, может быть, "невыгодные" задачи, теряется время на переключение процессора с одного процесса на другой. Но зато повышается удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени

Эти системы предназначены для компьютерного управления различными технологическими объектами (станок, спутник) или технологическим процессом (доменный процесс, ядерный реактор). Основной особенностью таких систем является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная управляющая объектом программа. Заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата называются временем реакции системы. Требования ко времени реакции зависят от специфики процесса.

В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, вся информация о которых известна еще до поступления запросов. Выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ. Способность аппаратуры компьютера и ОС к быстрому ответу зависит от скорости обработки сигналов прерывания, следовательно, в системах реального времени не стремятся максимально загружать все устройства. Наоборот, при проектировании закладывается некоторый "запас" вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки.

Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОС, хотя мультитерминальный режим расширяет возможности системы в целом. Для персональных компьютеров одной из наиболее известных ОСРВ является QNX.