Вычислительные и операционные системы. Общие понятия

Компьютерная система является сложной комплексной системой, состоящей из процессоров, оперативной памяти, дисковых накопителей, клавиатуры, монитора, сетевого оборудования, принтеров и пр. Написание программ, корректно использующих компоненты компьютерной системы представляет собой очень сложную задачу. По этой причине компьютеры оснащаются специальным уровнем программного обеспечения – операционной системой, которая отвечает за управление вышеперечисленных компонентов и обеспечивает пользователя программами, имеющими простой интерфейс, для работы с аппаратурой.

В общей структуре компьютера (рис.1.1.) операционная система расположена над аппаратным обеспечением, которое может состоять из двух или более уровней (слоев). Самый нижний уровень содержит физические устройства, состоящие из интегральных микросхем, проводников, источников питания и пр. Выше расположен уровень микроархитектуры, на котором физические устройства рассматриваются с точки зрения функциональных единиц, обычно на данном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора и арифметико-логическое устройство. Во время работы процессора на каждом такте из регистра выбирается один или два операнда, которые обрабатываются в арифметико-логическом устройстве. Результат сохраняется в одном или нескольких регистрах. В некоторых компьютерах операции над данными контролируются программными приложениями (микропрограммами), в других – аппаратными цепями.

Команды, выполняемые процессором, передаются по маршруту передачи данных, причем некоторые команды выполняются за один цикл передачи данных, другие требуют несколько циклов при использовании регистров или других возможностей аппаратуры. Команды, написанные на ассемблере, формируют уровень, называемый машинным языком, который служит для перемещения данных, выполнения арифметических операций и сравнения величин. Управление устройствами осуществляется с помощью загрузки определенных данных в регистры устройств. Например, для выполнения команды «чтение с диска» в регистры диска записываются: адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения, тип действия (чтение/запись) и др.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя сложную работу вычислительной системы, избавить программиста от необходимости общения с аппаратурой напрямую и предоставить ему более удобную систему команд. Над операционной системой располагаются остальные системные программы: интерпретатор команд (оболочка), компилятор, редактор и другие программы, которые запускаются в пользовательском режиме и могут иметь прямое отношение к операционной системе. Выше расположены прикладные программы, которые используются для решения пользовательских задач.

Операционная система (ОС) – это совокупность программных средств, которые осуществляют управление ресурсами компьютера, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами и обеспечивают диалог пользователя с компьютером. Операционная система, как комплекс системных и управляющих программ, предназначена для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы и удобства работы с ней. Назначение операционных систем:

- организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами;

- предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач.

Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации. Основными ресурсами вычислительной системы являются процессоры, области оперативной памяти, наборы данных, периферийные устройства, программы. Структура вычислительной системы (рис.1.1.):

- техническое обеспечение (hardware): процессор, память, монитор, дис­ковые устройства и т.д., объединенные магистральным соединением, называемым шиной;

- программное обеспечение: прикладное и системное.

К прикладному программному обеспечению относятся разнообразные пользовательские программы, игры, текстовые процессоры и т.п. К систем­ному – программы, способствующие функционированию и разработке при­кладных программ. Операционная система является фундаментальным компонентом системного программного обеспечения.

В зависимости от ряда признаков различают следующие вычислительные системы:

- по количеству программ, одновременно находящихся в оперативной памяти: однопрограммные и многопрограммные вычислительные системы;

- по числу пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы вычислительной системы: индивидуального и коллективного пользования;

- по организации и обработки заданий: вычислительные системы с пакетной обработкой и вычислительные системы с разделением времени;

- по числу процессоров: однопроцессорные вычислительные системы, многопроцессорные и многомашинные;

- по территориальному расположению и взаимодействию технических средств: сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и вычислительные системы с теледоступом;

- по соотношению скоростей поступления задач в вычислительные системы и их решения: работающие или не работающие в режиме реального времени;

- по назначению: универсальные вычислительные системы, специализированные и проблемно-ориентированные.

В зависимости от класса ЭВМ и вида операционной системы вычислительные системы могут работать в двух режимах: однопрограммном или мультипрограммном.

Однопрограммный режим. В памяти ЭВМ находится и выполняется только одна программ. Данный режим обычно характерен для микро-ЭВМ и персональных ЭВМ, то есть для ЭВМ индивидуального пользования.

Мультипрограммный режим (многопрограммный). В памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении в выполняемой задаче ситуаций, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация и т.д.

При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной. Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные операционные системы, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя. В зависимости от того, в каком порядке при мультипрограммном режиме выполняются программы пользователей, различают следующие режимы:

- режим пакетной обработки задач – задачи выстраиваются в одну или несколько очередей и последовательно выбираются для их выполнения;

- режим коллективного доступа – каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент времени, то есть для каждого пользователя осуществляется режим индивидуального пользования.

Режим индивидуального пользования реализуется обычно с помощью квантования машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания заданного кванта времени процессор переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в зависимости от ситуации в вычислительной системе. Вычислительные системы, обеспечивающие коллективный доступ пользователей с квантованием машинного времени, называются вычислительными системами с разделением времени.

В программном обеспечении вычислительной системы операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонент программного обеспечения обязательно работает под управлением операционной системы. В соответствии с условиями применения различают три режима работы операционной системы:

- режим пакетной обработки – операционная система последовательно выполняет собранные в пакет задания, пользователь не имеет контакта с ЭВМ и получает только результаты вычислений;

- режим разделения времени – операционная система одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ;

- режим реального времени – операционная система обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами, причем время отклика ЭВМ на возмущающее воздействие должно быть минимальным.

Операционная система опирается на базовое программное обеспечение компьютера BIOS, с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высокого уровня – прикладных и большинства служебных приложений. Приложение операционной системы представляет собой прикладную программу, которая не относится к компонентам операционной системы, но работает под ее управлением.

Операционная система в общем случае может содержать несколько операционных сред. Операционная среда – это набор функций, сервисов и правил обращения к ним, так же набор интерфейсов, необходимый программам и пользователям для обращения к операционной системе с целью получения определенного сервиса. Интерфейс обозначает физическое аппаратное устройство и совокупность алгоритмических правил обмена информацией с возможностью их перепрограммирования. Интерфейс, по определению – это правила взаимодействия операционной системы с пользователями, а также соседних уровней в сети ЭВМ. От интерфейса зависит технология общения человека с компьютером.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов, так пользователь взаимодействует с операционной системой на уровне пользовательского интерфейса (UI - User Interface), программист – на уровне программного интерфейса (API - Application Program Interface). Операционная среда предоставляет системное программно окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.

Основная функция всех операционных систем – посредническая, которая заключается в обеспечении ряда интерфейсов:.

1. Интерфейс пользователя – интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера.

2. Аппаратно-программный интерфейс – интерфейс между программным и аппаратным обеспечением.

3. Программный интерфейс – интерфейс между разными видами программного обеспечения, который представляет собой подпрограммы высокого уровня, документированные разработчиком и вызываемые на языках программирования. В современных операционных системах наборы вызываемых подпрограмм API сходного назначения объединяются в один двоичный файл, который приложение может использовать, загружая в процессе своей работы динамически подключаемую библиотеку (DLL).

Операционная система, как интерфейс между пользователем и аппаратными средствами компьютера, работает на двух уровнях (рис.1.2.):

- на прикладном уровне – предоставляет возможности исполнения программ, доступ к периферийным устройствам ввода-вывода и файловой системе;

- на программном уровне – пользователи могут разрабатывать свои прикладные и системные приложения, пользуясь интерфейсами программирования (например, в операционной системе Windows ХР базовым программным интерфейсом является Win32 API).

Операционная система, играя роль посредника, служит двум целям: эффективно использовать ресурсы вычислительной системы и создавать условия для эффективной работы пользователя.

Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем. В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последовательность команд. Суть диалогового режима состоит в том, что операционная система находится в ожидании команды пользователя, получив ее, приступает к исполнению, исполнив команду, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS (которые, в свою очередь, также основаны на использовании прерываний процессора) Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, называется диалоговым режимом работы.