Операционные системы

ВВЕДЕНИЕ 3
1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ 4
1.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами 4
1.2 Особенности аппаратных платформ 7
1. 3 Особенности областей использования 10
1.4 Особенности методов построения 12
2 СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ 14
2.1 Эффективность 14
2.2 Надежность и устойчивость 14
2.3 Гибкость и расширяемость 15
2.4 Переносимость 16
2.5 Безопасность 18
2.6 Совместимость 19
2.7 Удобство и ясность 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 21
Операционные системы (ОС) являются основой программного обеспечения вычислительных машин. Под операционной системой понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы, организации надежных вычислений и упрощения работы пол ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ 4
1.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами 4
1.2 Особенности аппаратных платформ 7
1. 3 Особенности областей использования 10
1.4 Особенности методов построения 12
2 СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ 14
2.1 Эффективность 14
2.2 Надежность и устойчивость 14
2.3 Гибкость и расширяемость 15
2.4 Переносимость 16
2.5 Безопасность 18
2.6 Совместимость 19
2.7 Удобство и ясность 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 21

Операционные системы (ОС) являются основой программного обеспечения вычислительных машин. Под операционной системой понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы, организации надежных вычислений и упрощения работы пользователя с вычислительной системой. ОС является промежуточным звеном между аппаратурой и приложениями пользователя, обеспечивает пользователя удобными средствами для применения внешних устройств, для эффективного использования мощностей процессоров, включенных в вычислительную систему, для удаленной передачи данных по сетям, включая локальные, корпоративные сети и интернет.
С точки зрения вычислительной системы ОС должна распределять
процессоры, память, устройства и данные между приложениями, конкурирующими за эти ресурсы. Операционная система должна управлять всеми перечисленными выше ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования.
Таким образом, основным предназначением ОС является организация эффективных и надежных вычислений, создание различных интерфейсов для взаимодействия с этими вычислениями и с самой вычислительной системой.
В данной курсовой работе рассмотрены классификация и свойства операционных систем. Курсовая работа состоит из введения, двух разделов, заключения и списка используемой литературы, включающего в себя 9 печатных источников. Общий объем машинописного текста составил 21 страницы.

Операционные системы данных устройств с каждым годом все более и более усложняются, в них появляются возможности управления функциями, относящимися к телефонии, цифровой фотографии и другим областям. На многих из них также работают приложения сторонних разработчиков. Фактически некоторые из них начинают напоминать операционные системы персональных компьютеров десятилетней давности.
Стоит отметить одно из главных отличий КПК от персональных компьютеров – наличие у персональных компьютеров жестких дисков большой емкости, что отсутствует у КПК. Но с течением времени положение быстро меняется. [9]
1.3 Особенности областей использования
В соответствии с использованными при разработке критериям эффективности многозадачные операционные системы подразделяют на:
Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с
системы пакетной обработки (например, OC EC);
системы разделения времени (UNIX, VMS);
системы реального времени (QNX, RT/11).
Для систем пакетной обработки характерной чертой является то, что они предназначались для задач вычислительного характера, которые не требовали быстрого получения результатов.
Главным критерием эффективности таких систем является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения такой эффективности в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: сначала формируется пакет заданий, каждое из которых содержит требования к системным ресурсам вычислительной машины. Далее из данного пакета заданий осуществляется формирование мультипрограммной смеси (Мультипрограммная смесь – множество одновременно выполняемых задач). Основной идеей пакетной обработки является то, что для одновременного выполнения выбираются те задачи, которые предъявляют различные требования к ресурсам. Таким образом обеспечивается сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. При этом выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких операционных системах невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В таких системах процессор переключается с выполнения одной задачи на другую, только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора. В таком режиме возможно, что одна задача надолго займет процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. В этом случае взаимодействие вычислительной машины с пользователем сводится к тому, что пользователь приносит комплекс заданий, отдает диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета может получить результат. Очевидно, при таком режиме эффективность работы пользователя снижается.
Для устранения данной проблемы были созданы системы разделения времени. В таких системах каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. В системах разделения время каждой задачи выделяется лишь квант процессорного времени, таким образом, ни одна из задач не занимает процессор надолго, а время ответа при этом оказывается приемлемым. У всех пользователей системы, которые одновременно работают в ней, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует вычислительную машину. Это достигается заданием небольшого кванта процессорного времени. Очевидно, что для таких систем пропускная способность меньше чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.
Для управления различными техническими объектами (например, станок, спутник, научная экспериментальная установка и др.) используются системы реального времени. Идея работы таких систем заключается в том, что всегда существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная задача, при помощи которой осуществляется управление объектом. Иначе может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Критерием эффективной работы для таких систем является способность систем реального времени выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением управляющего воздействия (результата). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный комплекс заранее разработанных программ. При этом выбор программы на выполнение осуществляется в соответствии с расписанием плановых работ или исходя из текущего состояния объекта.
Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть заданий они могут выполнять в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме разделения времени или в режиме реального времени. В этом случае режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом. [1]
1.4 Особенности методов построения
При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.
Ниже перечислены базовые концепции операционных систем.
Существует два способа построения ядра системы: монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство операционных систем использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, которая работает в привилегированном режиме и использует быстрые переходы с одной процедуры на другую. При этом не требуются переключения из привилегированного режима в пользовательский режим и наоборот. Другим подходом является построение операционной системе на основе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции операционной системы более высокого уровня выполняют специализированные компоненты операционной системы - серверы, которые работают в пользовательском режиме. В данном случае операционная система работает значительно медленнее. Это обуславливается тем, что при данном подходе выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским. Но стоит отметь, что система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.
2 СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Главным требованием, которое предъявляется к операционной системе, является способность выполнения основных функций: обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ и эффективного управления ресурсами. Современная операционная система, как правило, реализует мультипрограммную обработку, виртуальную память, поддерживает многооконный интерфейс, а также выполняет многие другие, необходимые функции. Кроме этих функциональных требований к операционным системам предъявляются не менее важные рыночные требования. На основе данных требований формируются свойства, которыми должна обладать операционная система.
Ниже приведены свойства ОС, которые позволяют сравнивать ОС друг с другом.
2.1 Эффективность
При распределении ресурсов система должна быть в достаточной степени эффективна. Она не должна сама потреблять слишком много ресурсов и предъявлять больших требований к оборудованию.
2.2 Надежность и устойчивость
Она должна быть такой же надежной, как аппаратура. Быть в состоянии производить определение и диагностику ошибок, а также восстановление после характерных ошибок, произошедших по вине пользователей. Она должна защищать пользователя от его же ошибок или хотя бы минимизировать вред, который они наносят. Устойчивость — возможность восстановления системы после сбоя, например, после сбоя питания.
2.3 Гибкость и расширяемость
Гибкость — система должна настраиваться в зависимости от поведения пользователя. Ресурсы должны увеличиваться или уменьшаться в зависимости от задания пользователя. В процессе эволюции добавляются новые средства, ОС должна быть расширяемой для обеспечения эффективного использования быстро изменяемого аппаратного обеспечения.
Расширяемость достигается за счет использования модульной структуры операционной системы. При такой структуре программы строятся из совокупности отдельных модулей, которые взаимодействуют только через функциональный интерфейс. Новые элементы добавляются в операционную систему модульным путем. Они выполняют свою работу, используя интерфейсы, поддерживаемые существующими компонентами.
Расширяемость системы улучшается при использовании объектов для представления системных ресурсов. Объекты - это абстрактные типы данных, над которыми можно производить только действия, предусмотренные специальным набором объектных функций. Такие объекты позволяют одинаковым образом управлять системными ресурсами. Добавление новых объектов не разрушает существующие объекты и не требует изменений существующего кода.
Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию операционных систем по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом операционная система строится в виде набора привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг-серверов. Основная часть операционной системы может оставаться неизменной в то время, как могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые.
2.4 Переносимость
Переносимость — возможность функционирования операционной системы для различных архитектур процессоров и внешних устройств.
Переносимость кода тесно связано с расширяемостью. Расширяемость позволяет улучшать операционную систему, в то время как переносимость дает возможность перемещать всю систему на машину, базирующуюся на другом процессоре или аппаратной платформе, делая при этом по возможности небольшие изменения в коде. Хотя операционные системы часто описываются либо как непереносимые, либо как переносимые, переносимость - это не бинарное состояние. Вопрос не в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать.
Во-первых, большая часть кода должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах, куда будет переноситься операционная система. Другими словами, это означает, что код должен быть написан на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например, на языке Си. Стоит отметить, что программы, написанные на Ассемблеры непереносимы.
Во-вторых, следует учесть, в какое физическое окружение программа должна быть перенесена.
Различная аппаратура требует различных решений при создании операционной системы. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, не может быть перенесена на машину с 16-битовыми адресами.
В-третьих, важно исключить части кода, взаимодействующие с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами.
Если аппаратно-зависимый код не удалось полностью исключить, его необходимо поместить в изолированных и локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе.
Для легкого переноса операционной системы при ее разработке должны быть соблюдены следующие требования:
Переносимый язык высокого уровня. Большинство переносимых операционных систем написано на языке С (стандарт ANSI X3.159-1989). Разработчики выбирают С потому, что он стандартизован, и потому, что С-компиляторы широко доступны. Ассемблер используется только для тех частей системы, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратной частью вычислительной машины или для частей, которые требуют максимальной скорости. Но при этом непереносимый код должен быть тщательно изолирован внутри тех модулей, где он используется.
Изоляция процессора. Некоторые низкоуровневые части операционной системы должны иметь доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам. При этом сам код, который делает это, должен содержаться в небольших модулях, которые могут быть заменены аналогичными модулями для других процессоров.
Изоляция платформы. Зависимость от платформы заключается в различиях между рабочими станциями разных производителей, построенными на одном и том же процессоре (например, MIPS R4000). Должен быть введен программный уровень, который абстрагирует аппаратуру (кэши, контроллеры прерываний ввода-вывода и т. п.) вместе со слоем низкоуровневых программ таким образом, чтобы высокоуровневый код не нуждался в изменении при переносе с одной платформы на другую.
2.5 Безопасность
Операционная система должна защищать приложения от взаимного влияния. Должна минимизировать возможность преднамеренной или случайной порчи данных и программ для всех приложений пользователя и самой ОС. Должна защитить критические ресурсы отнесанкционированного доступа.
Необходимыми условиями защищенной ОС являются:
возможность определения владельца для каждого ресурса;
возможность определения для владельца прав доступа.
Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов ( таких как память).
2.6 Совместимость
Возможность использовать ОС для процессоров с разной архитектурой. Совместимость может быть обеспечена на уровне исходных кодов и двоичных кодов. Совместимость на уровне исходных кодов обеспечена для той части операционной системы, которая написана на языке С.