Презентация: Архитектура операционных систем

Лекция 2

Требования к современным ОС

- Главные требования:

- выполнение основных функций эффективного управления ресурсами

- обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ

Требования к современным ОС

- Расширяемость

- Переносимость или многоплатформенность

- Совместимость

- Надежность и отказоустойчивость

- Безопасность

- Производительность

1. Расширяемость ОС

- ОС всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств

- Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой

- Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС (программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс)

2. Переносимость или многоплатформенность

- В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа

- Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ

3. Совместимость

- Для пользователя, переходящего с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой ОС привычного приложения.

- Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС

- Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС

4. Надежность и отказоустойчивость

- ОС должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов.

- Действия ОС должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС.

- Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации

- Важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.

5. Безопасность

- Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа.

- средства аутентификации — определения легальности пользователей

- авторизации — предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам

- аудита — фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий

- В сетевых ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.

6. Производительность

- ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа

- На производительность ОС влияют:

- архитектура ОС

- многообразие функций

- качество программирования кода

- возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе

Основные принципы построения операционных систем

- Модульности

- Функциональной избирательности

- Генерируемости

- Функциональной избыточности

- Виртуализации

- Независимости программ от внешних устройств

- Совместимости

- Открытой и наращиваемой ОС

- Мобильности (переносимости)

- Обеспечения безопасности вычислений

Принцип модульности ОС

- Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.

- Модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов

- Наибольший эффект от его использования достижим, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру

Принцип функциональной избирательности

- В ОС выделяется некоторая часть важных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса (ядро)

- При формировании состава ядра требуется учитывать два противоречивых требования.

- 1) В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули.

- 2) Количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим.

- Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями.

Принцип генерируемости ОС

- Этот принцип позволяет настраивать центральную системную управляющую программу ОС, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач.

- Эта процедура проводится редко, перед протяженным периодом эксплуатации ОС.

- Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины.

- Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы

Принцип функциональной избыточности

- Этот принцип учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами

- Позволяет:

- быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы

- обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач

- получить максимальную производительность при решении заданного класса задач

Принцип виртуализации

- Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

- Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины .

- Любая ОС скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией.

Принцип виртуализации

- Виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками:

- единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема.

- произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы.

- произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств.

Принцип независимости программ от внешних устройств

- Связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования её исполнения

- В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется.

- Принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами независимо от их конкретных физических характеристик

Принцип совместимости

- Это способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

- Двоичная совместимость достигаетс, когда можно запустить исполняемую программу на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы:

- совместимость на уровне команд процессора,

- совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

- Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Принцип открытой и наращиваемой ОС

- Открытая ОС доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам, обслуживающим вычислительную систему.

- Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д.

- Необходимо, чтобы можно было внести дополнения и изменения, и не нарушить целостность системы.

Принцип мобильности (переносимости)

- Операционная система относительно легко должна переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.

- Большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. То есть ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном.

- Важно минимизировать или исключить части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами.

- Если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе.

Принцип обеспечения безопасности вычислений

- Правила безопасности определяют свойства:

- защита ресурсов одного пользователя от других

- установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов

- Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе

Классификация ОС

по числу одновременно выполняемых задач

- однозадачные (MS DOS) и

- многозадачные

- Системы пакетной обработки (ОС ЕС)

- Системы с разделением времени (Unix, Linux, Windows)

- Системы реального времени (RT11, QNX)

Классификация ОС

по числу одновременно работающих пользователей на ЭВМ ОС разделяются на

- однопользовательские (MS DOS);

- многопользовательские (Unix, Linux, Windows 95 - XP)

Классификация ОС

по типу лицензии:

- проприетарная (семейство Windows)

- открытая (большинство Linux и UNIX систем).

Классификация ОС

по архитектуре:

- микроядерные (VxWorks, QNX);

- монолитные (Windows XP);

- гибридные (Windows NT, большинство Linux);

Классификация ОС

по использованию процессора:

- однопроцессорные;

- многопроцессорные системы (начиная с OS/2, Net Ware, Widows NT, большинство современных ОС).

Классификация ОС

по применению:

- рабочих станций (DOS, МАС OS, Windows 98, XP, Vista),

- серверов (AIX, Windows 2000, Windows Server 2003, Windows Vista Server 2008),

- ОС реального времени;

- встроенные ОС (VxWorks, QNX, Nucleus),

- для мобильных устройств (Windows CE, Pocket PC, Windows Mobile, Palm OS, Symbian OS),

- для сетевых маршрутизаторов (IOS от Cisco),

Классификация ОС

по возможности сетевого взаимодействия:

- локальные (DOS);

- сетевые (Netware 3.x – 6.x, UNIX, Linux, FreeBSD).

ОС как система управления ресурсами

основные ресурсы современных вычислительных систем:

- Процессоры

- Основная память

- Таймеры

- Наборы данных

- Диски

- Принтеры

- Сетевые устройства

- и др.

Ресурсы распределяются между процессами.

Процесс

- Процесс (задача) – базовое понятие большинства современных ОС.

- Процесс – программа в стадии выполнения.

- Программа – это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными.

- Процесс — это динамический объект, который возникает в ОС после того, как пользователь или ОС решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы.

Задачи ОС по управлению ресурсами

Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является назначением ОС.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

- планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;

- удовлетворение запросов на ресурсы;

- отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

- разрешение конфликтов между процессами.