Раздел 4. Операционная система OS/2

Тема 4.1. АРХИТЕКТУРА OS/2.

НАЗНАЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Общая характеристика операционной системы OS/2

Операционная система OS/2, появившись значительно раньше других современных операционных систем, по ряду параметров не уступает им, а ее принципы построения можно считать практически идеальными. Эта операционная система разработана компанией IBM. Первая 32-разрядная версия OS/2 v 2.0 появилась в 1992 году. Более поздние версии в своем названии имеют слово «Warp» («основа»).

Операционная система OS/2 по ряду причин не смогла получить широкого распространения. В первую очередь это связано с отсутствием у компании IBM продуманной политики продвижения своего товара на рынке программных продуктов. Агрессивной политике продвижения своих продуктов фирмой Microsoft не была противопоставлена должная рекламная компания, широкое сопровождение учебной литературой, создание приложений, работающих исключительно под управлением системы OS/2. В результате, несмотря на высокое качество системы, на сегодняшний день она почти забыта. В то же время организации, освоившие эту систему в 90-ые годы, не спешат отказываться от нее и продолжают с успехом эксплуатировать OS/2 и в настоящее время. В частности, практически все банкоматы работают под управлением OS/2. Общеизвестным является факт, что для выполнения одних и тех же задач современным операционным системам семейства Windows по сравнению с OS/2 требуется значительно больший объем системных ресурсов.

Компания IBM сопровождала свой проект до версии OS/2 Warp 4.5. В настоящее время поддержку программного продукта осуществляет небольшая компания, отделившаяся от IBM и выкупившая этот проект. Немаловажным является тот факт, что пользователям системы регулярно предлагаются обновления (FixPak) без дополнительной оплаты. Этот вариант развития системы значительно более выгоден для пользователей по сравнению с выпуском новых версий операционной системы, каждую из которых приходится покупать, вкладывая в приобретение значительные средства.

К основным достоинствам системы OS/2 относят:

· вытесняющая многозадачность;

· поддержка DOS- и ряда Windows-приложений;

· поддержка современных сетевых технологий, в том числе для локальных сетей и сети Internet;

· автоматическое распознавание подключаемых аппаратных устройств (Plug&Play);

· наличие набора офисных приложений;

· полная поддержка мультимедиа;

· поддержка шрифтов True Type (TTF);

· наличие встроенных средств разработки на языке Java.

Операционные системы OS/2 и MS DOS

Архитектуру системы OS/2 по ряду параметров можно считать идеальной. Об этом говорит тот факт, что система, появившись в 1992 году, не претерпела вплоть до сегодняшнего дня никаких значительных изменений.

Одним из принципиальных отличий OS/2 от MS DOS является вытесняющая многозадачность, организация которой будет рассмотрена более подробно в теме 4.2.

Другим важным преимуществом OS/2 по сравнению с MS DOS является использование файловой системы HPFS (High Performance File System – высокопроизводительная файловая система), в то же время OS/2 обеспечивает доступ к данным, хранящимся в файловой системе FAT.

Файловая система HPFS разрабатывалась специально для работы в многозадачном режиме. При обращении к файлу в MS DOS вначале считывается информация из таблицы FAT, затем – содержимое соответствующего каталога, и далее по указанному адресу система находит требуемый файл или его фрагмент. Таблица FAT размещается в начале диска, каталоги и фрагменты файлов – в разных несмежных секторах. Это приводит к необходимости многократного перемещения и позиционирования магнитной головки для считывания информации с диска даже при работе с одной задачей. При многозадачном режиме потери времени оказываются еще более существенными. Система HPFS для увеличения производительности при записи каждого конкретного файла стремится разместить его в смежных секторах максимально близко от данных о его расположении. Дисковое пространство разбивается на несколько полос в 8 Mбайт, причем каждая полоса имеет собственную битовую карту. Последовательность полос и карт выглядит следующим образом:

полоса 1;

битовая карта полосы 1;

битовая карта полосы 2;

полоса 2;

полоса 3;

битовая карта полосы 3;

битовая карта полосы 4;

полоса 4;

полоса 5;

…

Попарное расположение карт и полос позволяет разместить на диске непрерывным образом файл размером до 16 Mбайт. Благодаря такой структуре диска достигается значительное повышение производительности при высокой надежности системы.

Каждый файл и каталог в HPFS имеет свой файловый узел – структуру, содержащую основную информацию о файле (каталоге), которая занимает один сектор и находится поблизости от своего файла или каталога (чаще всего – перед ним). Это дает возможность поддерживать расширенные атрибуты, более гибко управлять доступом к файлам и каталогам.

В начале диска файловая система HPFS создает три информационных области – загрузочный, дополнительный и резервный блоки. Загрузочный блок содержит сведения о диске и программу начальной загрузки. Последняя находит и считывает в память системную программу os2ldr, которая в свою очередь загружает в память ядро системы os2krnl. Далее с помощью сведений, хранящихся в файле config.sys в память загружаются все необходимые модули системы. В дополнительном блоке содержится список битовых карт, а также указатели списка дефектных блоков, полосы каталогов (располагается в середине диска) и списка файловых узлов корневого каталога. Резервный блок содержит указатель области аварийного замещения, список свободных запасных блоков каталогов и другую системную информацию. Наличие резервного блока позволяет восстанавливать поврежденные данные, обеспечивая тем самым высокую надежность работы системы.

Следующим важным отличием OS/2 от системы MS DOS является наличие развитой графической оболочки WorkPlace Shell (WPS). По мнению многих пользователей, оболочка имеет более продуманный и логичный интерфейс даже по сравнению с современными версиями Windows.

Использование реального и защищенного режимов

Как известно, процессор i80х86 обеспечивает организацию вычислений в реальном и защищенном режимах.

При работе в реальном режиме в операционной системе MS DOS программы обращаются непосредственно к физической памяти, используя двухкомпонентный адрес, состоящий из сегмента и смещения. Для вычисления физического адреса используется простая схема: адрес сегмента сдвигается влево на 4 бита с заполнением оставшихся бит нулями, а затем к 20-разрядному результату добавляется 16-разрядное смещение (см. тему 3.2). Такой способ адресации памяти имеет много недостатков. Прежде всего, любая программа может обратиться в любую область оперативной памяти и тем самым разрушить информацию, обеспечивающую функционирование операционной системы. Кроме того, хотя операционная система и выделяет программе для хранения данных определенный блок памяти, ничто не мешает программе выполнять операции записи информации за пределами выделенного блока. Поэтому система управления памятью в реальном режиме носит формальный характер, фактически программы должны сами осуществлять контроль за использованием памяти.

Напомним также, что при работе с прерываниями в реальном режиме адреса обработчиков непосредственно считываются из специальной таблицы, расположенной в начале адресного пространства памяти (см. тему 2.2).

При работе в защищенном режиме программы не могут непосредственно обратиться к физическому адресу памяти, а используют для этого таблицы дескрипторов. Эти таблицы контролируются операционной системой, и программы не могут их изменять самостоятельно. Кроме того, включается механизм защиты, с помощью которого операционная система может предотвратить доступ обычных программ к системной памяти и памяти других программ (кольца защиты).

В защищенном режиме программа не имеет непосредственного доступа и к адресам прерываний. Их размещают в таблице дескрипторов прерываний. Адрес прерывания из этой таблицы программа может получить, только обратившись к операционной системе.

При разработке системы OS/2 ее создатели не стали использовать все возможности защищенного режима. Например, для обработки прерываний как правило используется непосредственное обращение программы к адресу прерывания. Кроме того, создатели отказались от сегментированной модели памяти. В системе OS/2 была использована «плоская» модель памяти, при которой физический адрес ячейки задается 32-разрядным смещением без дополнительного разбиения пространства памяти на сегменты (а значит и без указания адреса сегмента). При этом система осуществляет контроль, чтобы все обращения программ к памяти осуществлялись в пределах выделенного им пространства.

Отметим также, что в операционной системе OS/2 заложена возможность организации виртуальной памяти, при использовании которой часть страниц памяти размещаются на диске в специальном файле свопинга и при необходимости загружаются в оперативную память, замещая не используемые в данный момент страницы. Тем самым ресурс памяти можно увеличить до объема порядка 512 Мбайт.

Тема 4.2. МНОГОЗАДАЧНАЯ СРЕДА OS/2

Вытесняющая многозадачность

Даже при работе на компьютере одного пользователя у него постоянно возникает необходимость одновременного запуска нескольких приложений. Например, при работе с текстовым документом может возникнуть необходимость просмотра или копирования информации из электронной таблицы или базы данных, приема почты через Интернет, подсчета значения выражения на калькуляторе, распечатки документа, наконец элементарного прослушивания музыки в фоновом режиме.

В то же время операционная система MS DOS не имеет возможности организовать одновременное выполнение нескольких программ, т.е. является однозадачной.

Разработчиками операционных систем было предложено несколько вариантов реализации многозадачного режима. Так, в системе Windows 3.1 и в некоторых других реализован механизм невытесняющей или «добровольной» многозадачности (рис. 11). Здесь каждый из запущенных процессов время от времени по своей инициативе передает управление следующему процессу.

Рис. 11. Организация невытесняющей многозадачности

Невытесняющая многогозадачность имеет ряд недостатков. Это прежде всего невозможность изменения пользователем или администратором порядка выполнения задач и их приоритета, так как функцию передачи управления следующей задаче берет на себя программа, которая выполняется в данный момент времени. Кроме того, сбой в работе одной из программ приводит к невозможности передачи управления следующей, т.е. к зависанию всей цепочки выполняемых задач.

В операционной системе OS/2 и в современных версиях Windows используется модель вытесняющей многозадачности (рис. 12). Управление разделением ресурсов между процессами (в первую очередь распределением времени) берет на себя специальная программа – диспетчер задач. Очередность и размер выделяемого кванта времени определяется приоритетом задачи. Сбои в выполнении одного из процессов могут значительно снизить скорость обработки информации, но, как правило, не приводят к сбою в работе системы в целом. Вытесняющая многозадачность позволяет обеспечить не только одновременное выполнение нескольких приложений, но и организовать параллельное выполнение отдельных фрагментов одной и той же программы (например, параллельные вычисления).

Рис. 12. Организация вытесняющей многозадачности

Взаимодействие процессов. Управление памятью и внешними устройствами

При запуске процессов в многозадачном режиме система OS/2 для каждого из них выделяет отдельную изолированную область памяти. Причем область памяти, выделенная для решения одной задачи, имеет свою собственную локальную таблицу дескрипторов. Адресные пространства процессов оказываются разделенными физически, что обеспечивает полную автономность данных и исключает саму возможность вмешательства данного процесса в другие. Работа с памятью организуется с использованием возможностей защищенного режима, что еще более увеличивает надежность системы.

Однако полная изоляция вычислительных процессов друг от друга создает проблему синхронизации работы взаимодействующих приложений и организации обмена данными между работающими приложениями.

Для синхронизации работы взаимодействующих приложений система OS/2 использует такие средства как критические секции и семафоры.

Под критической секцией понимают фрагмент кода программы, который должен быть выполнен в монопольном режиме. Это означает, что на период выполнения этого фрагмента отменяется многозадачность и переключение от одной задачи к другой не допускается. Критическая секция имеет вид

DosEnterCritSec();

...

...

DosExitcritSec();

Критические секции используется в тех случаях, когда недопустимо параллельное использование каких-либо ресурсов компьютера.

Семафор представляет собой объект, который может находиться в двух состояниях: установленном и сброшенном. Программа может изменять состояние семафора, либо ожидать изменения этого состояния другой программой. Семафоры используются для организации последовательности доступа задач к определенным ресурсам. Кроме того, при параллельных вычислениях с помощью семафора организуется ожидание результатов, полученных по всем ветвям вычислений для их дальнейшей обработки.

Для организации обмена данными между задачами система OS/2 использует каналы и очереди.

Канал – это область памяти, специально созданная операционной системой для хранения информации, совместно используемой несколькими задачами. По запросу процессов может быть создано несколько каналов, причем каналы могут иметь имена. Система OS/2 имеет возможность создания каналов для взаимодействия процессов, выполняемых не только на одном компьютере, но и на разных рабочих станциях локальной сети.

Очередь – это средство, позволяющее организовать одновременное поступление информации от нескольких процессов к одному принимающему (серверному) процессу. Серверный процесс является владельцем очереди и может читать информацию из очереди в любом порядке. Другие процессы (клиентские) могут только записывать информацию в очередь. Таким образом, передача информации идет только в одном направлении: от клиентов к серверу. Для синхронизации работы клиентов, как правило, используется семафор, состояние которого показывает, осуществляется в данный момент запись информации в очередь другим процессом или нет.

Если для управления внешними устройствами при работе в системе MS DOS программа должна сама непосредственно обращаться к портам ввода-вывода, в составе OS/2 имеется набор драйверов для всех стандартных устройств компьютера, что полностью исключает необходимость работы с аппаратурой на уровне портов. Это относится также и к большинству видео- и аудиоадаптеров, устройств для работы с лазерными дисками, принтеров. При установке система сама определяет тип подключаемого оборудования. В дальнейшем пользователю предоставляется возможность уточнить тип автоматически обнаруженного оборудования и произвести для него некоторые настройки.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8

ЗНАКОМСТВО СО СТРУКТУРОЙ И ИНТЕРФЕЙСОМ OS/2

Ц е л ь р а б о т ы: сформировать умения по запуску операционной системы OS/2 и ее основных приложений.

Вопросы для самоподготовки

1. Операционная система OS/2, общая характеристика.

2. Дистрибутивы OS/2.

3. Пользовательский интерфейс OS/2.

Используемые программные средства

Операционная система OS/2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Задание 1

Произвести запуск операционной системы OS/2. Ознакомиться с пользовательским интерфейсом, описать его особенности.

Задание 2

Изучить возможности настройки OS/2. Описать в тетради основные операции по настройке системы.

Задание 3

Ознакомиться с принципами организации работы по управлению файловой системой в OS/2. Найти место расположения системных файлов OS/2. Записать в тетрадь порядок выполнения команд работы с файлами и каталогами.

Задание 4

Изучить работу имеющихся на компьютере приложений OS/2. Записать их названия и назначение в тетрадь.

Задание 5

Изучить возможности настройки Рабочего стола системы. Для этого щелкнуть правой кнопкой мыши в любом свободном месте Рабочего стола. При появлении на экране контекстно-зависимого меню изучить особенности выполнения каждой команды этого меню.