70.2 Логические единицы работы многозадачных операционных систем и их использование
ОС - это набор программ (обычных и микро), которые обеспечивают возможность использования аппаратуры компьютера. При этом аппаратура предоставляет сырую вычислительную мощность, а задача операционной системы состоит в предоставлении аппаратуры для пользователя в удобном для него виде.
Таким образом, ОС реализует:
интерфейс пользователя (команды в MS DOS, UNIX; графический интерфейс в ОС Windows);
разделение аппаратных ресурсов между пользователями (в многопользовательской и многозадачной ОС);
работу в локальных и глобальных сетях;
возможность работы с общими данными в режиме коллективного пользования;
планирование доступа пользователей к общим ресурсам;
эффективное выполнение операций ввода-вывода;
восстановление данных и вычислительного процесса в случае ошибок.
Многопользовательские ОС поддерживают одновременную работу на ЭМВ нескольких пользователей за различными терминалами.
Многозадачные ОС поддерживают параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы, в один момент времени (точнее- на некотором отрезке времени). Однозадачные ОС поддерживают выполнение только одной программы в отдельный момент времени.
Особенности алгоритмов управления ресурсами. От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку, и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.
Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:
однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и
многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).
Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.
Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких, как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:
однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);
многопользовательские (UNIX, Windows NT).
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:
вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX);
невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x).
Основным различием междувытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
Назначение ОС состоит в организации выполнения программ пользователей.
Для того чтобы выполнить какую-либо программу пользователь должен передать в ОС сведения об этой программе. По способу передачи этой информации различают ОС пакетной обработки и диалоговые ОС. (см. рис.).
Наиболее развитой системой пакетной обработки является оперативная система ЕС ЭВМ.
Пакетная обработка может быть организована как в однозадачном, так и в мультизадачном режиме.
Диалоговая ОС может быть предназначена для одновременного обслуживания одного или нескольких пользователей. Однопользовательские диалоговые ОС обычно разрабатываются для персональных ЭВМ. Многопользовательские диалоговые ОС применяются на больших и малых ЭВМ, оборудование пользователей. Однопользовательские ОС обычно не обеспечивают мультизадачный режим работы, тогда как многопользовательские ОС строятся как мультизадачные.
На следующем рисунке приведен вариант классификации ОС:
Итак, теперь расшифруем все сокращения:
О-з – однозадачные;М-з – многозадачные;ОО-з – однопользовательские однозадачные;ММ-з – многопользовательские мультизадачные;С фчз – с фиксированным числом задач;С пчз – спеременным числом задач;С вп – с виртуальной памятью;Без вп – без виртуальной памяти
Несмотря на довольно четкую классификацию, на вопрос какая ОС лучше нет однозначного ответа. Так например, при решении задач, требующих затрат машинного времени, может оказаться более предпочтительней пакетная обработка, тогда как задачи, время решения которых измеряется секундами, удобнее решать с использованием диалоговых ОС.
ОС Linux - это многопользовательская, многозадачная, много- терминальная операционная система (OC) из семейства UNIX, под управлением которой могут одновременно выполняться несколько задач. Она предназначена для работы на серверах и рабочих станциях, обеспечивает подключение дополнительных терминалов и допускает в этом режиме использование графических оболочек. UNIX-сеpвеpы предназначены для хранения и обработки больших объемов информации.
Операционные системы (ОС) обеспечивают управление процессом обработки информации и взаимодействие между аппаратными средствами и пользователем. Одной из важнейших функций ОС является автоматизация процессов ввода-вывода информации, управления выполнением прикладных задач, решаемых пользователем. ОС загружает нужную программу в память ЭВМ и следит за ходом ее выполнения; анализирует ситуации, препятствующие нормальным вычислениям, и дает указания о том, что необходимо сделать, если возникли затруднения. Исходя из выполняемых функций, ОС можно разбить на три группы:
однозадачные (однопользовательские):
многозадачные (многопользовательские);
сетевые.
Однозадачные ОС предназначены для работы одного пользователя в каждый конкретный момент с одной конкретной задачей. Типичным представителем таких операционных систем является MS-DOS (разработанная фирмой Microsoft).
Многозадачные ОС обеспечивают коллективное использование ЭВМ в мультипрограммном режиме разделения времени (в памяти ЭВМ находится несколько программ - задач и процессор распределяет ресурсы компьютера между задачами). Типичными представителями подобного класса ОС являются: UNIX, OS/2 корпорации IBM, Microsoft Windows 95, Microsoft Windows NT и некоторые другие. Сетевые операционные системы связаны с появлением локальных и глобальных сетей и предназначены для обеспечения доступа пользователя ко всем ресурсам вычислительной сети. Типичными представителями сетевых ОС являются: Novell NetWare, Microsoft Windows NT, Banyan Vines, IBM LAN, UNIX, Solaris фирмы Sun.
О.С. - Совокупность системных управляющих программ совместно с необходимыми информационными массивами, предназначенная для организации взаимодействия между аппаратурой ЭВМ и пользователем.
Формы реализации ОС:
Существует три категории «чистых» ОС, каждая из них характеризуется определенным типом взаимодействия с пользователем и ограничением на время ответа
О.С. Пакетная обработка Задание пользователей поставляют в О.С. в форме последовательных пакетов, при этом не существует взаимодействия пользователя с пакетом.
О.С. Разделения времени Обеспечивается одновременное обслуживание нескольких пользователей. Эффект одновременного доступа достигается разделением времени процессора и других ресурсов. Процессор предоставляет каждому пользователю (заданию) квант своего времени, если за этот промежуток задание пользователя не завершилось, то оно перемещается в конец очереди.
О.С. Реального времени Это система, которая обслуживает внешние процессы, используют для управления технологическими процессами. Действиями системы управляют прерывания от внешних устройств. Для этой О.С. имеются жесткие ограничения на время ответа. Если прерывание не будет обработано за квант времени, то ход внешних процессов может быть искажен.
Однопрограммные и мультипрограммные О.С.
1. Однопрограммные О.С. - это О.С., в которых каждая программа, получившая доступ к Ц.П. обслуживается до конца.
Достоинство: простота аппаратуры и использование системы (MSDOS 60 к. байт)
Недостаток: неэффективное использование ресурсов.
2. Мультипрограммные О.С. - это О.С., в которых в каждый момент времени может находиться несколько программ, требующих ресурсы машин (оперативная, дисковая память, периферийные устройства, Ц.П.).
Основные черты: В основной памяти сразу находиться несколько программ. Обмен с внешними устройствами ведется параллельно каждой из программ.
Достоинство: Увеличение использования ресурсов.
Недостаток: Увеличение времени исполнения программ, усложнения аппаратуры и О.С.
Форма реализации: пакетный режим и режим разделения времени (WINDOWSNT, UNIX).
В оперативной памяти может находиться несколько программ, в случае недостатка О.П., О.С. может обеспечить мультипрограммную обработку посредством swapping (обмен, перезагрузка), при этом в оперативной памяти находиться код и данные только одного задания, остальные располагаются во вспомогательной памяти. Система переключается с одного задания на другой посредством перезагрузки вспомогательной памяти в основную (перекачка из одной части памяти в другую).
Вспомогательной памятью может быть:
1. Дисковая память
2. О.П.
Классификация ОС в зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач.
1. Однопользовательские однозадачные ОС, которые могут работать только с одним пользователем и в данный момент времени только с одной системной или прикладной задачей. Пример MS-DOS 1.1 . ОС этого класса характеризуются экономным использованием оперативной и внешней памяти, минимальным набором функций для поддержания работы системных и прикладных программ..
2. Однопользовательские однозадачные ОС с фоновой печатью позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную на обслуживание фонового процесса. Фоновый процесс - процесс с меньшим приоритетом, выполняющийся в периоды, когда процесс с большим приоритетом находится в состоянии ожидания. Пример такой ОС MS-DOS 2.0.
3. Однопользовательские многозадачные ОС обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Пример WINDOWS 95.
4. Многопользовательские многозадачные ОС позволяют на одном ПК запускать несколько задач нескольким пользователям (Один ПК к нему подсоединены терминалы). Пример UNIX.
UNIX (занимает 3-5 Мбайт на жестком диске)- главной отличительной чертой является модульность и обширный набор системных программ, которые создают благоприятную обработку для пользователей программистов.
ВСЕ файлы:
1.Файлы предназначенные для доступа только администратора (привилегированный пользователь)
2. Файлы предназначенные для доступа одному пользователю (группе пользователей)
3. Файлы предназначенные для доступа всем пользователям
1 Система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать,
понимать, изменять и переносить на другие машины. По оценкам, сделанным
Ричи, первый вариант системы на Си имел на 20-40 % больший объем и работал
медленнее по сравнению с вариантом на ассемблере, однако преимущества использования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки (см.
[Ritchie 78b], стр. 1965).
2 Наличие довольно простого пользовательского интерфейса, в котором имеется возможность предоставлять все необходимые пользователю услуги.
3 Наличие элементарных средств, позволяющих создавать сложные программы из более простых.
4 Наличие иерархической файловой системы, легкой в сопровождении и эффективной в работе.
5 Обеспечение согласования форматов в файлах, работа с последовательным потоком байтов, благодаря чему облегчается чтение прикладных программ.
6 Наличие простого, последовательного интерфейса с периферийными
устройствами.
7 Система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь может одновременно выполнять несколько процессов.
8 Архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен процесс написания программ, работающих на различных конфигурациях аппаратных средств.