4.2. Операционные системы
Операционной системой называют комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами ЭВМ (вычислительной системы) и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.
Под ресурсом понимают любой логический или физический компонент ЭВМ и предоставляемые им возможности. Основными ресурсами являются процессор (процессорное время), ОП и ПУ.
Управление ресурсами сводится к выполнению следующих функций:
1) упрощению доступа к ресурсам;
2) распределению ресурсов между конкурирующими за них процессами.
Реализация первой функции позволяет «спрятать» аппаратные особенности ЭВМ и тем самым предоставить в распоряжение пользователей и программистов виртуальную машину с существенно облегченным управлением. Иными словами, ОС поддерживает два следующих интерфейса, уровень которых заметно выше аппаратного:
1) пользовательский интерфейс (командный язык для управления функционированием компьютера и набор сервисных услуг, освобождающих пользователя от выполнения рутинных операций);
2) программный интерфейс (набор услуг, освобождающий программиста от кодирования рутинных операций).
Схематично интерфейсы ОС изображены на рис. 4.2.
Уровень программного интерфейса может быть дополнительно повышен путем использования систем программирования для языков высокого уровня.
Пользовательский интерфейс может быть символьным (текстовым) или графическим. Последнее считается более перспективным, однако существующие в настоящее время ОС поддерживают только символьный интерфейс.
Функция распределения ресурсов присуща не всем ОС, а только тем, которые обеспечивают одно-временное выполнение (или по крайней мере одновременное хранение в ОЗУ) нескольких программ. Если ПЭВМ имеет один процессор, то одновременное выполнение нескольких программ сводится по сути к поочередной реализации их фрагментов. Это не имеет ничего общего с параллелизмом, но в ряде случаев позволяет повысить производительность ПЭВМ в результате совмещения выполнения операций в различных устройствах во времени. Например, пока одна программа ожидает завершения обмена информацией с ПУ, другая может использовать МП. Конечно, для такой организации работы необходимы соответствующие аппаратные средства. Если такой режим работы компьютера недоступен, то одновременное выполнение нескольких программ сводится к их простому переключению без какого-либо выигрыша по производительности. В действительности будет наблюдаться даже проигрыш по этому показателю, однако возможность переключения программ повышает гибкость вычислительной системы и позволяет им взаимодействовать между собой, например, обмениваться информацией, в частности, обрабатывать один и тот же файл.
Процессом (задачей) же называется последовательность действий, предписанных программой или ее логически законченной частью, а также данные, используемые при вычислениях. Процесс (задача) является минимальной единицей работы, для которой выделяются ресурсы.
В настоящее время существует большое разнообразие ОС. Они классифицируются по следующим признакам:
1) по количеству пользователей, одновременно обслуживаемых системой;
2) по числу процессов, которые могут одновременно выполняться под управлением ОС;
3) по типу доступа пользователя к ЭВМ;
4) по типу СВТ, для управления ресурсами которых система предназначена.
В соответствии с первым признаком различают однопользовательские и многопользовательские ОС. Многопользовательские системы поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей (конечно, за различными терминалами).
Второй признак делит ОС на однозадачные и многозадачные. Заметим, что если система многопользовательская, то обычно она и многозадачная, но не наоборот.
В соответствии с третьим признаком ОС делятся на:
— системы с пакетной обработкой, когда из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет, который предъявляется ЭВМ. В этом случае пользователи непосредственно с ОС не взаимодействуют. Данный тип ОС Предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов ЭВМ;
— системы разделения времени, обеспечивающие одновременный диалоговый (интерактивный) доступ к ЭВМ нескольких пользователей через терминалы. Ресурсы ЭВМ выделяются при этом каждому пользователю «по очереди» в соответствии с той или иной дисциплиной обслуживания. Этот тип ОС предназначен для обеспечения удобства работы группы пользователей;
— системы реального времени, которые должны обеспечивать гарантированное время ответа на внешние события. Такие ОС служат для управления внешними по отношению к ЭВМ процессами и объектами.
По четвертому признаку ОС делятся на однопроцессорные, многопроцессорные, сетевые и распределенные.
ОС не могут, как правило, предоставить пользователям возможности, которыми не обладает ЭВМ. Они в состоянии только эффективно использовать аппаратные средства компьютера. Поэтому мы сначала перечислим возможные режимы работы ПЭВМ, чтобы понять, какими типами ОС они могут комплектоваться.
В настоящее время ПЭВМ поддерживают широкий спектр режимов работы, среди которых:
однопрограммный режим;
2) однопользовательский многопрограммный, или просто многопрограммный режим;
3) многопользовательский многопрограммный, или просто многопрограммный режим;
4) система виртуальных машин (дальнейшее развитие мультипрограммирования, основным признаком которого является возможность одновременной работы нескольких ОС, что уже отмечалось).
С точки зрения МП режимы 2 и 3 близки друг к другу, но для обеспечения последнего необходимо наличие нескольких терминалов (дисплеев и клавиатур). Многопрограммные режимы могут реализовываться как на одно-, так и на многопроцессорных ПЭВМ.
Для поддержки перечисленных режимов работы ПЭВМ существуют следующие типы ОС:
1) однопользовательские однозадачные, или просто однозадачные;
2) однопользовательские многозадачные, или просто многозадачные;
3) многопользовательские многозадачные, или просто многопользовательские.
Для обеспечения работы ПЭВМ в режиме системы виртуальных машин необходим монитор виртуальных машин.
При рассмотрении режимов работы ПЭВМ и ОС не случайно использовались различные термины — соответственно «программа» и «задача». Без дополнительных пояснений здесь не обойтись, что мы сейчас и сделаем.
На аппаратном уровне случаи одновременного выполнения последовательностей команд нескольких программ или одной программы неразличимы. Понятие же «задача» вообще не вводится, а посему можно использовать лишь термин «программа», понимая под многопрограммностью способность одновременного (при наличии одного процессора — только попеременного) выполнения нескольких последовательностей команд.
На уровне же ОС дело обстоит несколько иначе: считается, что система организует выполнение задачи, формируемой из целой программы или из логически законченного фрагмента программы. Поэтому в данном случае правомерно говорить об одно- или многозадачности. Однако следует иметь в виду, что многозадачность бывает разная. Простейшим случаем многозадачности является поддержка одновременного выполнения нескольких программ без возможности разбиения программы на несколько задач. «Чистая» же многозадачность предполагает обеспечение такой возможности. Это дополнительно требует наличия в составе ОС средств для взаимодействия и синхронизации процессов. В связи с различными видами многозадачности применительно к ОС иногда употребляют термины «многопрограммность» для обозначения простейшего случая многозадачности и собственно «многозадачность» для обозначения полностью реализованного многозадачного режима Мы же будем употреблять только термин «многозадачность», понимая его в широком смысле. В целях конкретизации при этом будет использоваться понятие «гранула параллелизма», которой может являться программа целиком, процесс (задача) как часть программы или даже цепочка команд в рамках процесса
Дополнительно заметим, что многопользовательская ОС должна быть многозадачной (иначе нельзя будет обслуживать нескольких пользователей одновременно), хотя последняя возможность в отдельности каждому конечному пользователю может и не предоставляться.
Для многопользовательских и многозадачных ОС важным показателем является дисциплина обслуживания. В соответствии с этим различают вытесняющий и согласующий режимы многозадачной работы.
При вытесняющей организации выделением задачам процессорного времени занимается исключительно ОС. Примерами такого режима являются квантование, когда каждой задаче процессор выделяется по очереди, причем на фиксированный промежуток времени, и приоритетное обслуживание. Вытеснение поддерживают ОС OS/2 и UNIX, а также интерфейсная система DESQview.
В случае согласующей организации каждая задача, получившая управление, сама определяет, когда ей отдать процессор другой задаче. Иначе говоря, здесь инициатива исходит не от ОС, а главным образом от самой задачи. Согласование применяется в сетевой ОС фирмы Novell, a также в интерфейсной системе MS Windows.
В общем случае согласование эффективнее и надежнее вытеснения, так как позволяет программе самой выбирать удобный и безопасный момент своего прерывания. Однако при этом ни одна из программ не должна узурпировать процессор, добровольно отказываясь от монопольного его использования.
Очевидно, однозадачная ОС может быть поставлена на поддерживающую любой режим работы ПЭВМ, что и делается многими пользователями. Однако, на что уже обращалось внимание читателя, современные мощные ПЭВМ имеют такие ресурсы, которые не могут быть эффективно использованы одним пользователем даже в многопрограммном режиме. На таких машинах целесообразнее применять многопользовательские ОС.
1) Для IBM-совместимых ПЭВМ разработаны и используются следующие классы ОС: 1) ОС семейства СР/М;
2) ОС семейства DOS;
3) ОС семейства OS/2;
4) ОС семейства UNIX;
5) различные ОС и управляющие программы, предназначенные для ПЭВМ на базе МП 80386 (и, естественно, 80486).
Наибольшее распространение в настоящее время имеют представители семейства DOS, за ними — UNIX, и в меньшей степени — OS/2. Данное соотношение в ближайшие годы сохранится. Основные характеристики перечисленных семейств ОС, в соответствии с которыми можно выбрать наиболее подходящую для Вашей ПЭВМ и Вас систему, сведены в табл. 4.1. Сделаем относительно нее следующие замечания:
— для OS/2 в настоящее время имеется серьезный конкурент — интерфейсная система MS Windows (см. п. 4.3.1);
— некоторые UNIX-подобные системы являются менее требовательными к ресурсам ПЭВМ и способны функционировать на ПЭВМ менее мощных классов;
— можно использовать и меньший, чем указано, объем ОЗУ, однако при этом некоторые программы могут оказаться неработоспособными, а эффективность ОС снизится.
В последующих пунктах мы охарактеризуем каждый из пяти упомянутых классов ОС, а также кратко остановимся на сетевых ОС и ОС для ПЭВМ фирмы Apple Computer.