Классификация операционных систем

В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач (процессов) и числа пользователей, которые могут обслуживаться операционной системой, можно выделить четыре основных класса операционных систем:

1. Однопользовательские однозадачные ОС, которые могут работать только с одним пользователем и в данный момент времени только с одной системной или прикладной задачей. Такие операционные системы были характерны для первых поколений ПК. Примерами таких систем являются операционные системы СР/М фирмы Digital Research и MS DOS фирмы Microsoft. Операционные системы этого класса характеризуются экономным использованием оперативной и внешней памяти, минимальным набором функций для поддержания работы системных и прикладных программ, а также простыми командными языками.

Определение: Командный язык - это язык управления заданиями, операторы (команды) которого запускают программы и задают им обрабатываемые файлы и другие параметры.

Однопользовательские однозадачные ОС с фоновой печатью позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную на обслуживание фонового процесса, используемого, как правило, для вывода информации на печать.

Определение: Фоновый процесс – это процесс с меньшим приоритетом, выполняющийся в периоды, когда процесс с большим приоритетом находится в состоянии ожидания.

Однопользовательские многозадачные ОС обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Примером такой ОС является Concurrent СР/М-86 фирмы Digital Research.

Многопользовательские многозадачные ОС, позволяющие на одном ПК запускать несколько задач нескольким пользователям. ОС такого типа являются универсальными мультипрограммными системами, имеют наиболее развитые функциональные возможности и вследствие этого требуют значительных машинных ресурсов как для своей собственной работы, так и для поддержки пользовательских задач. При этом приходится решать не только проблемы распределения ресурсов, но и организовывать защитy участков памяти, принадлежащих различным пользователям и системе, управлять дополнительными станциями. Примерами таких ОС являются операционные системы семейства UNIX, LUNIX и операционная система OS/2.

Операционные системы семейства UNIX. Существует несколько реализаций ОС UNIX для ПК семейства IBM PC. Система UNIX требует большого объема оперативной памяти и достаточно емкого жесткого диска для хранения различных системных программ.

Главной отличительной чертой этой операционной системы является ее модульность и обширный набор системных программ, которые позволяют создать благоприятную операционную обстановку для пользователей- программистов, т.е. тех, основной задачей которых является разработка других программ. Операционная система UNIX поддерживает:

· иерархическую файловую систему, имеющую древовидную организацию;

· совместимые по вводу/выводу файлы, устройства и процессы;

· асинхронную обработку;

· интерпретацию встроенного командного языка Shell и возможность определения новых специализированных командных языков;

· наиболее распространенные языки программирования (Паскаль, Фортран- 77, Бейсик и Си).

Появление ОС UNIX оказало значительное влияние и на развитие других ОС. Например, иерархическая файловая система принята в качестве основополагающего принципа многих ОС, в том числе MS DOS.

Операционные оболочки

Если же рассмотреть функции прикладных программ, то окажется, что они используют в DOS только функции файловой системы. Все остальные функции в основном не применяются. Большую часть современных пакетов прикладных программ составляют драйверы самых различных внешних устройств. Практически каждый пакет имеет некий универсальный внутренний интерфейс для взаимодействия с разными устройствами какого-либо определенного класса. Но DOS не представляет пакету возможностей по организации такого интерфейса, а значит, каждый пакет решает эту задачу для себя заново.

В рамках DOS имеется несколько специальных программных комплексов, получивших название операционной оболочки, которые берут эти и многие другие функции на себя, освобождая от этого прикладные программы. Практически все операционные оболочки построены на основе окон. Экран монитора разбивается на несколько виртуальных символьных или графических экранов таким образом, что программа или несколько параллельно работающих программ выводят информацию в одно или несколько окон. Операционные оболочки представляют пакетам прикладных программ возможности по организации меню и необходимой реакции на выбор пользователем опций меню, как с клавиатуры, так и с помощью мыши.

Примером операционной оболочки может служить NC (Norton Commander) или VC (Volkov Commander). В операционной системе Windows у многих пользователей пользуются успехом программы FAR Manager и Total Commander XP.

В работе ТаненбаумаЭ. приводится своя классификаций ОС, которая в определенной степени использует свои классификационные группировки:

Операционные системы мэйнфреймов.

На самом верхнем уровне находятся операционные системы для мэйнфреймов. Эти компьютеры размером с комнату все еще можно встретить в центрах данных больших корпораций. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода/вывода. Мэйнфреймы как бы возвращаются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных электронно-коммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе.

Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода/вывода. Обычно они предлагают три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. Пакетная обработка представляет собой систему, выполняющую стандартные задания без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме. Обработка исков в страховых компаниях или составление отчетов о продажах для цепи магазинов — это типичные задания, обрабатываемые в пакетном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количеством маленьких запросов, например, контролируют процесс работы в банке или бронирование авиабилетов. Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни или тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине. Хорошим примером является работа с большой базой данных. Все эти функции тесно связаны между собой, и зачастую операционная система мэйнфрейма выполняет их все. Примером операционной системы для мэйнфрейма является OS/390.

Серверные операционные системы

Уровнем ниже находятся серверные операционные системы. Они работают на серверах, которые представляют собой или очень большие персональные компьютеры, или рабочие станции. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. Интернет-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. UNIX, Windows 2000 и Linux являются типичными серверными операционными системами.

Многопроцессорные операционные системы

Все более часто применяемый способ увеличения мощности компьютеров заключается в соединении нескольких центральных процессоров в одной системе. В зависимости от вида соединения процессоров и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Для них требуются специальные операционные системы, но зачастую такие операционные системы представляют собой варианты серверных операционных систем со специальными возможностями связи.

Операционные системы для персональных компьютеров

Следующую категорию составляют операционные системы для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются для работы с текстом, электронными таблицами и доступа к Интернету. Наиболее яркие примеры — это Windows 98, Windows XP, операционная система компьютера Macintosh и Linux.

Операционные системы реального времени

Еще один вид операционной системы — это системы реального времени. Главным параметром таких систем является время. Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами на предприятиях. Часто такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Если некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени (или внутри заданного диапазона времени), мы имеем дело с жесткой системой реального времени.

Существует и гибкая система реального времени, в которой допустимы случающиеся время от времени пропуски сроков выполнения операции. В эту категорию попадают цифровое аудио и мультимедийные системы. Системы VxWorks и QNX являются операционными системами реального времени.

Встроенные операционные системы

Карманный компьютер или PDA (Personal Digital Assistant — персональный цифровой помощник) — это маленький компьютер, помещающийся в кармане, выполняющий небольшой набор функций (телефонной записной книжки и блокнота). Встроенные системы, управляющие действиями устройств, работают на машинах, обычно не считающихся компьютерами, например в телевизорах, микроволновых печах и мобильных телефонах. Они часто обладают теми же самыми характеристиками, что и системы реального времени, но при этом имеют особый размер, память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких операционных систем являются PalmOS и Windows CE (Consumer Electronics — бытовая техника).

Операционные системы для смарт-карт

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие операционные системы накладываются жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие операционные системы на тех же самых смарт-картах выполняют сложные функции.

Некоторые смарт-карты являются Java-ориентированными. Это означает, что ПЗУ (постоянная память, ROM, Read Only Memory — память только для чтения) смарт-карт содержит интерпретатор виртуальной машины Java (JVM, Java Virtual Machine). Апплеты Java загружаются на карту и выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из таких карт могут одновременно управлять несколькими апплетами Java, что приводит к многозадачности и необходимости планирования. Из-за одновременной работы двух и более программ возникает необходимость в управлении ресурсами и защитой.

Тема: «Структура и функции операционной системы MS DOS».

1. Архитектура ОС MS DOS: основные модули, их характеристика.

Операционная система MS DOS в 1981 г. фирмой Microsoft по заказу фирмы IBM для разрабатывавшихся тогда компьютеров IBM PC. Это была простейшая операционная система, обладающая лишь минимальным набором функций. Она обеспечивала работу на компьютере лишь одно пользователя и одной программы, поддерживала работу лишь с дискетами, клавиатурой и алфавитно-цифровым дисплеем. Тем не менее, MS DOS вполне соответствовала возможностям выпускаемых тогда компьютеров: она была компактной, предъявляла довольно скромные требования к аппаратуре и выполняла необходимый минимум функций для пользователей и программ. Со временем фирма Microsoft внесла в MS DOS много изменений и добавлений, чтобы расширить ее возможности и более эффективно использовать новые, более мощные компьютеры:

В MS DOS была добавлена поддержка новых устройств;

- была обеспечена возможность поддержки устройств с помощью драйверов, написанных фирмами-производителями устройств;

- была включена поддержка иерархической файловой структуры, предоставлены соответствующие команды пользователя и функции для их вызова из прикладных программ;

- была обеспечена поддержка национальных клавиатур и алфавитов;

- были включены многочисленные новые возможности для пользователя (новые команды DOS, полезные утилиты, оптимизатор использования памяти, поддержка сжатия диска и т.д.).

Однако многие усовершенствования в MS DOS, оказалось, невозможно добавить, сохраняя полную совместимость со всеми существующими DOS-программами:

- MS DOS так и осталась однозадачной. Различные программные средства, позволяющие запускать несколько DOS-программ и переключаться между ними так и остались половинчатыми решениями, не получившими широкого распространения;

- в MS DOS оказалось невозможным встроить надежные средства для защиты данных от несанкционированного доступа и организации коллективной работы с данными.

Важнейшим достоинством MS DOS является модульность. Это свойство позволяет изолировать друг от друга отдельные части большой и сложной программы, облегчая ее разработку, а также позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций (например, функции обслуживания НГМД).

MS DOS состоит из следующих основных модулей:

1. Базовая система ввода/вывода (BIOS - Basic Input Output System);

2. Блок начальной загрузки (Boot Record);

3. Модуль расширения базовой системы ввода / вывода (IO.SYS);

4. Модуль обработки прерываний (MSDOS. SYS);

5. Командный процессор (COMMAND.COM);

6. Внешние команды (FORMAT.COM, DISKCOPY.COM и другие);

7. Драйверы устройств (ANSI.SYS, RAMDRIVE.SYS и другие).

Базовая система ввода/вывода (БСВВ) размещается в постоянной памяти (постоянном запоминающем устройстве, ПЗУ) компьютера. Этот модуль является одновременно и частью аппаратуры и частью операционной системы. Все остальные модули находятся на дисках.

Первая функция БСВВ - автоматическое тестирование основных компонентов ПК при его включении. Основная часть времени тестирования тратится на проверку оперативной памяти. Если в процессе тестирования памяти и других аппаратных компонентов обнаруживаются ошибки, БСВВ выдает на экран соответствующие сообщения и извещает об этом звуковым сигналом.

Вторая функция БСВВ - вызов блока начальной загрузки операционной системы, выполняется по окончании тестирования. Загрузив в память с системного диска блок начальной загрузки, БСВВ передает ему управление, и тот, в свою очередь, осуществляет загрузку других модулей операционной системы.

Третья функция БСВВ - обслуживание прерываний. Суть прерываний заключается в том, что текущая работа компьютера может быть приостановлена на короткое время сигналом, который указывает на возникновение ситуации, требующей немедленной обработки. Обращения к прерываниям вырабатываются программными или аппаратными средствами с целью выполнения различных операций. Прерывания бывают трех видов:

· Аппаратные (нажатие клавиши, перемещение мыши и т.п.);

· Логические или процессорные (деление на нуль, переполнение регистров и т.п.);

· Программные (обычно при обращении к аппаратным средствам).

Каждое прерывание имеет уникальный номер (от 0 до 255) и с ним связана определенная подпрограмма, призванная обслуживать возникшую ситуацию. На БСВВ возлагается задача обслуживания прерываний нижнего уровня - тех, которые требуют непосредственного управления аппаратными компонентами. Этим прерываниям присвоены номера с 0 по 31. Так, например, прерывание с номером 22 относится к управлению клавиатурой, а с номером 23 к управлению принтером. Прерывания с номерами, начиная с 32 - относятся к прерываниям верхнего уровня, и их обслуживание возлагается на модуль обработки прерываний MSDOS.SYS. Например, при выполнении команды DEL осуществляется обращение к операции удаления файла с диска. Данная операция реализуется через прерывание верхнего уровня с номером 33.

БСВВ является "программной оболочкой" вокруг аппаратных средств ПК, предоставляет возможность другим программам, а также и самой операционной системе, обращаться к аппаратным компонентам через механизм прерываний.

Блок начальной загрузки (БНЗ) - это очень короткая программа, выполняющая функцию загрузчика двух модулей операционной системы: модуля расширения БСВВ и модуля обработки прерываний. БНЗ всегда размещается на нулевой дорожке в первом секторе каждой дискеты и жесткого диска.

БНЗ просматривает каталог системного диска и, убедившись, что первые два файла являются модулями MS DOS (IO.SYS и MSDOS.SYS), считывает их в память компьютера. Оба файла размещаются на системном диске всегда первыми - один за другим в последовательных секторах и снабжены специальным атрибутом, который делает их "невидимыми".

Модуль расширения базовой системы ввода/вывода (файл IO.SYS) представляет собой дополнение к БСВВ находящейся в постоянном запоминающем устройстве системного блока. Он загружается в память загрузчиком операционной системы (БНЗ) и остается в памяти компьютера постоянно.

Расширение БСВВ придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять к БСВВ драйверы, обслуживающие дополнительные внешние устройства. Драйверы разработаны не только для дополнительных внешних устройств, но и для тех, которые стандартно входят в состав компьютера. Драйверы требуются в тех случаях, когда обмен информацией с устройствами должен происходить иначе, чем принято в БСВВ. О необходимости подключения к MS DOS драйверов внешних устройств, а также об изменении параметров MS DOS сообщается в файле конфигурации CONFIG.SYS. Этот файл обрабатывается модулем расширения БСВВ.

Модуль обработки прерываний (файл MSDOS.SYS) является основным модулем операционной системы. Он обеспечивает взаимодействие с программами пользователя. Модуль обработки прерываний загружается в память и остается там постоянно на весь сеанс работы с компьютером.

Компонентами данного модуля являются подпрограммы, обеспечивающие работу файловой системы, информационный обмен с дисками, а также обслуживание некоторых специальных ситуаций (например, завершение работы программы). При обращении к этим подпрограммам из прикладной программы модуль обработки прерываний получает параметры операций и выполняет требуемые действия или преобразует полученные параметры в один или несколько запросов к модулю расширения БСВВ. Функции, реализуемые модулем обработки прерываний, в первую очередь используются командами MS DOS, обрабатываемыми командным процессором (DIR, COPY и др.), а также могут вызываться прикладными программами.

Командный процессор хранится в виде файла с именем COMMAND.COM, обычно на том диске, с которого загружается операционная система. В отличие от рассмотренных выше двух модулей файл с командным процессором может занимать на диске любое место и трактуется как обычная программа.

Функции командного процессора заключаются в следующем:

· Прием и синтаксический разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

· Исполнение внутренних команд операционной системы;

· Загрузка и исполнение внешних команд (программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (находящихся в файлах, имеющих расширение СОМ, ЕХЕ и ВАТ).

Некоторые команды (TYPE, DIR и другие) командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор, который ищет на дисках программу с соответствующим именем (например, FORMAT), и если находит ее, то загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о готовности к выполнению других команд (приглашение MS DOS).

Запуск прикладной программы осуществляется так же, как обращение к внешней команде. В функции командного процессора входит также исполнение командных файлов. Один из них, а именно файл с именем AUTOEXEC.BAT выполняется автоматически после загрузки операционной системы. Когда в качестве команды дается имя командного файла (файла имеющего расширение ВАТ), командный процессор начинает последовательно читать и интерпретировать содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, осуществляющая вызов некоторой программы, то интерпретация командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения продолжается выполнение командного файла.

Как правило, после окончания работы пользовательской программы вся занимаемая приложением оперативная память освобождается и становится доступной для следующих запускаемых пользователем программ. В операционной системе MS DOS для программ имеется возможность не освобождать (полностью или частично) по окончании своей работы занимаемую ими оперативную память. Такие программы называются резидентными, или постоянно находящимися в памяти. При запуске резидентной программы она выполняет какие-то действия, после чего оканчивает свою работу и на экране появляется приглашение MS DOS. Пользователь может запускать другие программы, однако часть оперативной памяти компьютера остается занятой резидентной программой.

При загрузке в память компьютера командный процессор распадается на две части: резидентную (постоянно находящуюся в памяти), которая располагается вслед за двумя модулями операционной системы (IO.SYS и MSDOS.SYS), и нерезидентную, которая располагается в области памяти, доступной программам пользователя.

Таким образом, любая программа может занять эту область памяти, "удалив" нерезидентную часть командного процессора. По окончании работы такой программы управление всегда возвращается в резидентную часть командного процессора, который пытается восстановить нерезидентную часть, загружая ее с системной дискеты. Именно поэтому предпочтительнее иметь файл COMMAND.COM на жестком или виртуальном диске, и тогда не потребуется постоянной установки системной дискеты.

Определение: Виртуальным диском называется область памяти компьютера, с которой можно работать так же, как с диском.

Внешние команды операционной системы реализуются программами, которые хранятся на диске в виде отдельных загрузочных файлов.

В состав MS DOS входит более трех десятков программ, предназначенных для разных целей. Практически наиболее часто используются лишь некоторые из них - F0RMAT.COM (форматирование дискет), CHKDSK.COM (проверка диска на правильность файловой структуры), M0DE.COM (установка режимов работы устройств). Реже используются другие программы - GRAPHICS.COM (подготовка к печати графической копии экрана), FDISK.EXE (разметка жесткого диска) и пр.

Драйверы устройств - это специальные резидентные программы, которые дополняют систему ввода/вывода и обеспечивают обслуживание дополнительных внешних устройств или нестандартное использование имеющихся устройств. Например, с помощью драйвера возможна работа с виртуальным диском. Драйверы хранятся в виде файлов, имена которых имеют расширение SYS. Они загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле CONFIG.SYS. Такое подключение драйверов облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы IO.SYS и MSDOS.SYS.