Tcp ip аббревиатуры вкратце для чайника. Другие материалы в категории основы Linux
Всероссийский Заочный Финансово – Экономический Институт
Факультет: финансово – кредитный
Специальность: финансы и кредит группа вечерняя
Курсовая работа
По дисциплине «Информатика»
На тему «Назначение, классификация и эволюция операционных систем»
Москва – 2008г.
Введение
1
Назначение операционных систем 5
2 Перечислим основные функции операционных систем 9
2.2 Обслуживание всех операций ввода-вывода 9
3
Эволюция и классификация ОС
Заключение 2
Список использованной литературы 22
Введение
Операционная система (ОС) является основой системного ПО, под управлением которыми осуществляется начальная загрузка компьютера, управление работой всех его устройств и проверка их работоспособности, управление файловой системой компьютера, загрузка пользовательских приложений и распределение ресурсов компьютера между ними, поддержка пользовательского интерфейса и др. К числу широко известных семейств операционных систем относятся DOS, WINDOWS, UNIX, NETWARE и др.
Операционная система (ОС) представляет собой совокупность программ, выполняющих две функции: предоставление пользователю удобств виртуальной машины и повышение эффективности использования компьютера при рациональном управлении его ресурсами.
Процессор компьютера выполняет команды, заданные на машинном языке. Непосредственная подготовка таких команд требует от пользователя знаний языка и специфики построения и взаимодействия аппаратных средств. Так, например, для доступа к хранящейся на магнитном носителе информации необходимо указать номера блоков на диске и номера секторов на дорожке, определить состояние двигателя механизма перемещения головок записи считывания, обнаружить наличие и типы ошибок, выполнить их анализ и пр. Требовать этих знаний от всех пользователей практически невозможно. Поэтому и возникла необходимость в создании ОС – совокупности программ, скрывающих от пользователя особенности физического расположения информации и выполняющих обработку прерываний, управление таймерами и оперативной памятью. В результате пользователю предоставляется виртуальная машина, реализующая работу на логическом уровне.
1 Назначение операционных систем
Операционные системы относятся к системному программному обеспечению. Все программное обеспечение разделяется на системное и прикладное. К системному программному обеспечению принято относить такие программы и комплексы программ, которые являются общими, без которых невозможно выполнение или создание других программ. История появления и развития системного программного обеспечения началась с того момента, когда люди осознали, что любая программа требует операций ввода-вывода данных. Это произошло в далекие 50-е годы прошлого столетия. Собственно операционные системы появились чуть позже.
Аналогично, и вывод результатов может быть организован, например, на соответствующие устройства и в форме, удобной для восприятия ее человеком. Либо результаты расчетов будут отправляться программой на какие-нибудь исполнительные устройства, которые управляются компьютером. Наконец, мы можем организовать запись полученных значений на некие устройства хранения данных (с целью их дальнейшей обработки).
Программирование операций ввода-вывода относится к одной из самых трудоемких областей создания программного обеспечения. Здесь речь идет не об использовании операторов типа READ или WRITE в языках высокого уровня. Речь идет о необходимости создать подпрограмму в машинном виде, уже готовую к выполнению на компьютере, а не написанную с помощью некоторой системы программирования (систем программирования тогда еще не было), подпрограмму, вместо обычных вычислений управляющую тем устройством, которое должно участвовать в операциях ввода исходных данных или выводов результатов. При наличии такой подпрограммы программист может обращаться к ней столько раз, сколько операций ввода-вывода с этим устройством ему требуется. Для выполнения этой работы программисту недостаточно хорошо знать архитектуру вычислительного комплекса и уметь создавать программы на языке ассемблера. Он должен отлично знать и интерфейс, с помощью которого устройство подключено к центральной части компьютера, и алгоритм функционирования устройства управления устройства ввода-вывода.
Очевидно, что имело смысл создать набор подпрограмм управления операциями ввода-вывода и использовать его в своих программах, чтобы не заставлять программистов каждый раз заново программировать все эти операции. С этого и началась история системного программного обеспечения. Впоследствии набор подпрограмм ввода-вывода стали организовывать в виде специальной библиотеки ввода-вывода, а затем появились и сами операционные системы. Основной причиной их появления было желание автоматизировать процесс подготовки вычислительного комплекса к выполнению программы.
В 50-е годы взаимодействие пользователей с вычислительным комплексом было совершенно иным, чем ныне. Программист-кодер (от англ. coder – кодировщик) – специально подготовленный специалист, знающий архитектуру компьютера и язык(и) программирования, - по заказу составлял текст программы, часто по уже готовому алгоритму, разработанному программистом-алгоритмистом. Текст этой программы затем отдавался оператору, который набирал его на специальных устройствах и переносил на соответствующие носители. Чаще всего в качестве носителей использовались перфокарты или перфолента. Далее колода с перфокартами передавалась в вычислительный зал, где для вычислений по этой программе требовать следующие действия:
1. Оператор вычислительного комплекса с пульта вводил в рабочие регистры центрального процессора и в оперативную память компьютера ту первоначальную программу, которая позволяла считать в память программу для трансляции исходных кодов и получения машинной (двоичной) программы (проще говоря, транслятор, который тоже хранился на перфокартах или перфоленте).
2. Транслятор считывал исходную программу, осуществлял лексический разбор исходного текста, и промежуточные результаты процесса трансляции зачастую так же выводили на перфокарты (перфоленту). Трансляция – сложный процесс, часто требующий нескольких проходов. Порой для выполнения очередного прохода приходилось в память компьютера загружать с перфокарт и следующую часть транслятора, и промежуточные результаты трансляции. Ведь результат трансляции выводился также на носители информации, поскольку объем оперативной памяти был небольшим, а задача трансляции – это очень сложная задача.
3. Оператор загружал в оперативную память компьютера полученные двоичные коды, оттранслированной программы и подгружал двоичные коды тех системных подпрограмм, которые реализовывали управлениями операциями ввода-вывода. После этого готовая программа, расположенная в памяти, могла сама считывать исходные данные и осуществлять необходимые вычисления. В случае обнаружения ошибок на одном из этих этапов или после анализа полученных результатов весь цикл необходимо было повторить.
Для автоматизации труда программиста (кодера) стали разрабатывать специальные алгоритмические языки высокого уровня, а для автоматизации труда оператора вычислительного комплекса была разработана специальная управляющая программа, загрузив которую в память один раз оператор мог ее далее использовать неоднократно и более не обращаться к процедуре программирования ЭВМ через пульт оператора. Именно эту управляющую программу и стали называть операционной системой. Со временем на нее стали возлагать все больше и больше задач, она стала расти в объеме. Прежде всего разработчики стремились к тому, чтобы операционная система как можно более эффективно распределяла вычислительные ресурсы компьютера, ведь в 60-е годы операционные системы уже позволяли организовать параллельное выполнение нескольких программ. Помимо задач распределения ресурсов появились задачи обеспечения надежности вычислений. К началу 70-х годов диалоговый режим работы с компьютером стал преобладающим, и у операционных систем стремительно начали развиваться интерфейсные возможности. Термин интерфейс (interface) обозначает целый комплекс спецификаций, определяющих конкретный способ взаимодействия пользователя с компьютером.
На сегодняшний день можно констатировать, что операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.
2 Перечислим основные функции операционных систем
Прием пользователя (или оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.
Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.
Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).
Прием и использование различных запросов от выполняющихся приложений. Операционная система умеет выполнять очень большое количество системных функций (сервисов), которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API) этой операционной системы.
2.2 Обслуживание всех операций ввода-вывода
Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.
Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения.
Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными между выполняющимися программами.
Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.
Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.
Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.
Аутентификация и авторизация пользователей (для большинства диалоговых операционных систем). Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи. Очевидно, что если входное имя (login) пользователя и его пароль совпадают, то, скорее всего, это и будет тот самый пользователь. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может делать на компьютере.
Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для ОС реального времени).
Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.
Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.
Операционная система изолирует аппаратное обеспечение компьютера от прикладных программ пользователей. И пользователь, и его программы взаимодействуют с компьютером через интерфейсы операционной системы.
3 Эволюция и классификация ОС
Эволюция ОС во многом обусловлена совершенствование аппаратной базы ЭВМ.
Программирование ламповых вычислительных устройств, ориентированных на решение специализированных прикладных задач, выполнялось на машинном языке (языке программирования, представляющем программу в форме, позволяющей непосредственно выполнять ее техническими средствами обработки данных). Организация вычислительного процесса в этом случае осуществлялась обслуживающим персоналом вручную с пульта управления. ОС для этих ЭВМ практически отсутствовали.
Компьютеры, построенные на полупроводниковых элементах, стали более компактными, надежными и применялись при решении более широкого класса прикладных задач. Появились первые алгоритмические языки, компиляторы (компиляторы – программы, используемые для компиляции – перевода написанной на алгоритмическом языке программы на язык, близкий к машинному) и системы пакетной обработки. Эти системы явились прообразом современных ОС. Основное их назначение – увеличение загрузки процессора.
Переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам сопровождался созданием семейств программно-совместимых машин, например, семейства IBM/360, EC ЭВМ. ОС этих компьютеров ориентировались на обслуживание вычислительных систем с разнообразными периферийными устройствами и в различных областях деятельности. Особенностью таких ОС стало мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько приложений. Например, пока одно приложение осуществляет операции ввода-вывода, процессор выполняет вычислительные операции другого. Образовался новый тип ОС – системы разделения времени, которая позволяет создать для каждого пользователя иллюзию единоличной работы с компьютером. Появление больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) обеспечило широкое распространение компьютеров и их использование неспециалистами в области программирования. Это потребовало разработки дружественного, интуитивно понятного программного интерфейса. Развитие средств коммуникаций обусловило развитие сетевых ОС.
К современным ОС предъявляются следующие требования:
Совместимости – ОС должна включать средства для выполнения приложений, подготовленных для других ОС;
Переносимости – обеспечение возможности переноса ОС с одной аппаратурной платформы на другую;
Надежности и отказоустойчивости – предполагает защиту ОС от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов;
Безопасности – ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других;
Расширяемости – ОС должна обеспечивать удобства внесения последующих изменений и дополнений;
Производительности – система должна обладать достаточным быстродействием.
Классификация ОС. Обычно общение пользователя с машиной протекает в интерактивном режиме. При этом темп решения задачи определяется реакцией пользователя. Если принять время реакции пользователя постоянным, то можно считать, что сложность задачи ограничивается быстродействием технических средств (при необходимости оно повышается экстенсивными методами: применением более быстродействующей элементной базы, использованием многопроцессорных или многомашинных систем). Но это односторонний подход. Огромные возможности таятся в организационных мероприятиях, к которым относится выбор оптимальных режима работы и дисциплин обслуживания; и то и другое реализуется операционными системами.
Режимы работы ПЭВМ в первую очередь определяются количеством задач, параллельно решаемых на машине (реализуемых программ). По этому признаку ОС разделяются на многозадачные и однозадачные, поддерживающие и не поддерживающие многонитевую обработку, многопользовательские и однопользовательские, на многопроцессорные и однопроцессорные.
По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС:
Однозадачные ОС (MS-DOS, ранние версии PS DOS);
Многозадачные (OS/2, UNIX, Windows).
Однозадачные ОС предоставляют пользователю виртуальной машины и включают средствами управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС дополнительно управляют разделением между задачами совместно используемых ресурсов. Среди вариантов реализации многозадачности выделяют две группы алгоритмов распределения процессорного времени:
Невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3. x и 9. х);
Вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).
В первом случае активный процесс по окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого процесса. Во втором – решение о переключении процесса с одного процесса с одного процесса на другой принимает не активный процесс, а ОС.
Поддержка многонитевости предполагает возможность выполнения некоторых команд программы практически в один и тот же момент. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между отдельными ветвями (нитями) алгоритмов их решения (многозадачность внутри одной задачи).
По числу одновременно работающих пользователей выделяют ОС:
Однопользовательские (MS-DOS, Windows 3. x, ранние версии OS/2);
Многопользовательские (UNIX, Windows NT).
Отличием многопользовательских систем является наличие средств защиты информации пользователей от несанкционированного доступа.
Многопроцессорная обработка предполагает поддержку работы нескольких процессоров и приветствует в ОС Solaris 2. x фирмы Sun, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft, NetWare 4.1. фирмы Novell и др.
Многопроцессорные ОС делятся на асимметричные и симметричные. Асимметричная ОС выполняется на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричные ОС децентрализована и использует все процессоры, разделяя между ними системные и прикладные задачи.
Очевидно, что ОС персонального компьютера менее сложна, чем ОС мэйнфреймов и суперЭВМ. Отличием сетевой ОС от локальной являются средства передачи данных между компьютерами по линиям связи и реализации протоколов передачи данных, например IP, IPX и др.
Кроме ОС, ориентированных на определенный тип аппаратной платформы, существуют мобильные ОС, легко переносимые на разные типы компьютеров. В таких ОС (например, UNIX) аппаратно-зависимые места локализованы и при переносе системы на новую платформу переписываются. Аппаратно-независимая часть реализуется на языке программирования высокого уровня на языке С, и перекомпилируется при переходе на другую платформу.
Динамическое перераспределение ресурсов ПЭВМ между несколькими задачами (способ коллективного пользования) обеспечивает либо сокращение суммарного времени решения нескольких задач, либо уменьшение времени начала обработки задачи. И то и другое при одном «обслуживающем приборе», например процессоре или принтере, достигается за счет увеличения времени решения одной (каждой) задачи. Порядок прохождения задач в машине определяет режимы реализации способа коллективного пользования: пакетной обработки и разделения времени. Пакетная обработка предполагает решение нескольких задач примерно в том же режиме, в каком работает преподаватель во время устного экзамена – его внимание занимает один из студентов. По завершении опроса внимание переключается на следующего (полагаем, что обслуживание студентов и есть решение задачи).
В режиме разделения времени процесс выполнения программ разбивается на циклы. Внутри каждого цикла обязательно появляется (если она еще не решена) та базовая задача, для которой выделен данный цикл. Остальные задачи могут решаться в этом же цикле, если их решение не препятствует решению базовой. Соседние циклы выделяются для решения разных задач, поэтому существенно увеличивается время решения каждой из них. Вместе с тем на ожидание выполнения очередной части задачи затрачивается не более чем N-1 циклов (N – число разноименных циклов, выделенных для решения N различных задач). При соответствующем выборе длительности цикла у пользователя (из-за его инерционности) создается иллюзия работы в реальном масштабе времени. Работой в реальном масштабе времени называется режим работы, при котором существуют предельные ограничения на время решения задачи, накладываемые внешней средой. Для системы управления это означает, что обработка информации должна протекать со скоростью, превышающей скорость реально протекающего управляемого процесса, с тем, чтобы имелся определенный запас времени для принятия решений и формирования соответствующих управляющих воздействий.
Для реальных условий работы характерно то, что моменты поступления задач на обработку определяются не темпом работы обслуживающего прибора (ПЭВМ, принтера и пр), а процессами, протекающими вне его. В соответствии с этим обслуживающий прибор должен решать определенную совокупность задач (реакция на сбои оборудования, заявка на связь в сети, принудительное создание резервной копии и т.д.).
При конечном быстродействии обслуживающего прибора поступающие заявки не могут быть выполнены сразу, а становятся в очередь. Процесс выбора заявки из множества ожидающих обслуживания называется диспетчеризацией, а правило диспетчеризации – дисциплиной обслуживания. Дисциплин обслуживания много, например «в порядке поступления» (FIFO – First Input First Output), «в обратном порядке» (LIFO – Last Input First Output) и др. Для сокращения времени ожидания (времени пребывания в очереди) отдельным заявкам предоставляется преимущественное право на обслуживание, называемое приоритетом, который характеризуется целым положительным числом. Наивысший приоритет назначается ОС.
Итак, при создании двоичных машинных программ прикладные программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор ее функций и сервисов, а также правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Можно сказать, что термин «операционная среда» означает соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к управляющей (супервизорной) части операционной системы с целью получить определенные сервисы.
Системных функций бывает много, они определяют те возможности, которые операционная система предоставляет выполняющимся под ее управлением приложениям. Такого рода системные запросы (вызовы системных операций, или функций) либо явно прописываются в тексте программы программистами, либо подставляются автоматически самой системой программирования на этапе трансляции исходного текста разрабатываемой программы. Каждая операционная система имеет свое множество системных функций; они вызываются соответствующим образом, по принятым в системе правилам. Совокупность системных вызовов и правил, по которым их следует использовать, как раз и определяет интерфейс прикладного программирования (API). Очевидно, что программа, созданная для работы в некоторой операционной системе, скорее всего не будут работать в другой операционной системе, поскольку API у этих операционных систем различаются. Стараясь преодолеть это ограничение, разработчики операционных систем стали создавать так называемое программные среды. Программную (системную) среду следует понимать как некоторое системное программное окружение, позволяющее выполнить все системные запросы от прикладной программы. Та системная программная среда, которая непосредственно образуется кодом операционной системы, называется основной, естественной, или нативной (native). Помимо основной операционной среды в операционной системе могут быть организованы (путем эмуляции иной операционной среды) дополнительные программные среды. Если в операционной системе организована работа с различными операционными средами, то в такой системе можно выполнять программы, созданные не только для данной, но и для других операционных систем. Можно сказать, что программы создаются для работы в некоторой заданной операционной среде. Например, можно создать программу для работы в среде DOS. Если такая программа все функции, связанные с операциями с операциями ввода-вывода и с запросами памяти, выполняет не сама, а за счет обращения к системным функциям DOS, то она будет (в абсолютном большинстве случаев) успешно выполняться и в MS DOS, и в PS DOS, и в Windows 9x, и в Windows 2000, и в OS/2, и даже в Linux.
Итак, параллельное существование терминов «операционная система» и «операционная среда» вызвано тем, что операционная система может поддерживать несколько операционных сред. Почти все современные 32-разрядные операционные системы, созданные для персональных компьютеров, поддерживают по нескольку операционных сред. Так операционная система OS/2 Warp, которая в свое время была одной из лучших в этом отношении, может выполнять следующие программы:
Основные программы, созданные с учетом соответствующего «родного» 32-разрядного программного интерфейса этой операционной системы;
16-разрядные программы, созданные для систем OS/2 первого поколения;
16-разрядные приложения, разработанные для выполнения в операционной системе MS DOS или PS DOS;
16-разрядные приложения, созданные для операционной среды Windows 3. x;
Саму оперативную оболочку Windows 3. x и уже в ней – созданные для нее программы.
А операционная система Windows XP позволяет выполнять помимо основных приложений, созданных с использованием Win32API, 16-разрядные приложения для Windows 3. x, 16-разрядные DOS-приложения, 16-разрядные приложения для первой версии OS/2.
Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Если говорить о пользовательских, то например, система Linux имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использовать различные «оболочки» - shell), наподобие Norton Commander, например X-Window с различными менеджерами окон - KDE, Gnome и др. Если же говорить о программных интерфейсах, то в тех же операционных системах с общим названием Linux программы могут обращаться как к операционной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графической подсистеме (если она используется). С точки зрения архитектуры процессора (и персонального компьютера в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, созданная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обращение к одной операционной среде, а во втором – к другой. И программа, созданная непосредственно для Windows, не будет выполняться в Linux; если в ОС Linux организовать полноценную операционную среду Windows, то наша Windows-программа может быть выполнена. В общем, операционная среда – это то системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.
Заключение
Итак, операционная система выполняет функции управления вычислениями в компьютере, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует ту программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной. Последнее следует понимать в том плане, что при запуске программы она будет обращаться к операционной системе с соответствующими запросами на выполнение определенных действий, или функций. Эти функции операционная система выполняет, запуская специальные системные программные модули, входящие в ее состав.
В настоящий момент около 90% персональных компьютеров используют ОС Windows, которая имеет ряд достоинств и вытеснила конкурентов из этого сегмента рынка. Более широкий класс ОС ориентирован для использования на серверах. К этому классу ОС относят: семейство Unix, разработки фирмы Microsoft, сетевые продукты Novell и корпорации IBM.
К ресурсами компьютера относятся: процессоры, память, дисковые накопители, сетевые коммуникационные средства, принтеры и другие устройства. Функцией ОС является рациональное распределение этих ресурсов между процессами с целью обеспечения максимальной эффективности функционирования компьютера.
Список использованной литературы
Гордеев А.В. Операционные системы: Учебник для вузов.2-е изд. – СПб.: Питер, 2005.
Основы информатики: Учеб. пособие / А.Н. Морозевич, Н.Н. Говядинова, В.Г. Левашенко и др.; Под ред.А.Н. Морозевича. – 2-е изд., испр. – Мн.: Новое знание, 2003.
Евсюков В.В. Экономическая информатика: Учеб. пособие – Тула: Издательство «Граф и К», 2003.
Информатика в экономике: Учеб. пособие /Под ред. проф. Б.Е. Одинцова, проф.А.Н. Романова. – М.: Вузовский учебник, 2008.
Будем рассматривать историю развития вычислительных, а не операционных систем, потому что hardware и программное обеспечение эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга. Появление новых технических возможностей приводило к прорыву в области создания удобных, эффективных и безопасных программ, а свежие идеи в программной области стимулировали поиски новых технических решений. Именно эти критерии – удобство, эффективность и безопасность – играли роль факторов естественного отбора при эволюции вычислительных систем.
В первый период развития (1945–1955 гг.) ЭВМ представляли собой ламповые машины без операционных систем. Первые шаги в области разработки электронных вычислительных машин были предприняты в конце Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства и появился принцип программы, хранящейся в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945 г.). В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. За пультом мог находиться только один пользователь. Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панели переключателей.
Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины. В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951–1952 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает Ассемблер для IBM-701.
Существенная часть времени уходила на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных . В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.
С середины 50-х годов начался второй период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы – полупроводниковых элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь машины могут непрерывно работать достаточно долго, чтобы на них можно было возложить выполнение практически важных задач. Снижается потребление вычислительными машинами электроэнергии, совершенствуются системы охлаждения. Размеры компьютеров уменьшились. Снизилась стоимость эксплуатации и обслуживания вычислительной техники. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами. Одновременно наблюдается бурное развитие алгоритмических языков (LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). Появляются первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм. Упрощается процесс программирования. Пропадает необходимость взваливать на одних и тех же людей весь процесс разработки и использования компьютеров. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.
Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и указывает необходимые ресурсы. Такая колода получает название задания . Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение. Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно через некоторое (довольно продолжительное) время.
Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ, в результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими ресурсами начинают собирать вместе, создавая пакет заданий .
Появляются первые системы пакетной обработки , которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и тем самым увеличивают коэффициент загрузки процессора. При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем, они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.
Следующий важный период развития вычислительных машин относится к началу 60-х – 1980 г. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам. Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами. Повышается производительность процессоров.
Повышению эффективности использования процессорного времени мешает низкая скорость работы механических устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 600 строк в минуту). Вместо непосредственного чтения пакета заданий с перфокарт в память начинают использовать его предварительную запись, сначала на магнитную ленту, а затем и на диск. Когда в процессе выполнения задания требуется ввод данных, они читаются с диска. Точно так же выходная информация сначала копируется в системный буфер и записывается на ленту или диск, а печатается только после завершения задания. Вначале действительные операции ввода-вывода осуществлялись в режиме off-line, то есть с использованием других, более простых, отдельно стоящих компьютеров. В дальнейшем они начинают выполняться на том же компьютере, который производит вычисления, то есть в режиме on-line. Такой прием получает название spooling (сокращение от Simultaneous Peripheral Operation On Line) или подкачки-откачки данных . Введение техники подкачки-откачки в пакетные системы позволило совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, но потребовало разработки аппарата прерываний для извещения процессора об окончании этих операций.
Магнитные ленты были устройствами последовательного доступа, то есть информация считывалась с них в том порядке, в каком была записана. Появление магнитного диска, для которого не важен порядок чтения информации, то есть устройства прямого доступа, привело к дальнейшему развитию вычислительных систем. При обработке пакета заданий на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась порядком их ввода. При обработке пакета заданий на магнитном диске появилась возможность выбора очередного выполняемого задания. Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий : в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д. на счет выбирается то или иное задание.
Дальнейшее повышение эффективности использования процессора было достигнуто с помощью мультипрограммирования . Идея мультипрограммирования заключается в следующем: пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при однопрограммном режиме, а выполняет другую программу. Когда операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы. Эта идея напоминает поведение преподавателя и студентов на экзамене. Пока один студент (программа) обдумывает ответ на вопрос (операция ввода-вывода), преподаватель (процессор) выслушивает ответ другого студента (вычисления). Естественно, такая ситуация требует наличия в комнате нескольких студентов. Точно так же мультипрограммирование требует наличия в памяти нескольких программ одновременно. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом , и не должна влиять на выполнение другой программы (студенты сидят за отдельными столами и не подсказывают друг другу).
Появление мультипрограммирования требует настоящей революции в строении вычислительной системы. Особую роль здесь играет аппаратная поддержка (многие аппаратные новшества появились еще на предыдущем этапе эволюции), наиболее существенные особенности которой перечислены ниже.
- Реализация защитных механизмов . Программы не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных команд. Привилегированные команды, например команды ввода-вывода, могут исполняться только операционной системой. Говорят, что она работает в привилегированном режиме. Переход управления от прикладной программы к ОС сопровождается контролируемой сменой режима. Кроме того, это защита памяти, позволяющая изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а ОС – от программ пользователей.
- Наличие прерываний . Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие, например, завершилась операция ввода-вывода. Внутренние прерывания (сейчас их принято называть исключительными ситуациями) возникают, когда выполнение программы привело к ситуации, требующей вмешательства ОС, например деление на ноль или попытка нарушения защиты.
- Развитие параллелизма в архитектуре . Прямой доступ к памяти и организация каналов ввода-вывода позволили освободить центральный процессор от рутинных операций.
Не менее важна в организации мультипрограммирования роль операционной системы. Она отвечает за следующие операции:
Организация интерфейса между прикладной программой и ОС при помощи системных вызовов;
Организация очереди из заданий в памяти и выделение процессора одному из заданий потребовало планирования использования процессора;
Переключение с одного задания на другое требует сохранения содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения задания, иначе говоря, контекста для обеспечения правильного продолжения вычислений;
Поскольку память является ограниченным ресурсом, нужны стратегии управления памятью, то есть требуется упорядочить процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти;
Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям пользователей;
Поскольку программам может потребоваться произвести санкционированный обмен данными, необходимо их обеспечить средствами коммуникации;
Для корректного обмена данными необходимо разрешать конфликтные ситуации, возникающие при работе с различными ресурсами и предусмотреть координацию программами своих действий, т.е. снабдить систему средствами синхронизации.
Мультипрограммные системы обеспечили возможность более эффективного использования системных ресурсов (например, процессора, памяти, периферийных устройств), но они еще долго оставались пакетными. Пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием и должен был предусмотреть с помощью управляющих карт все возможные ситуации. Отладка программ по-прежнему занимала много времени и требовала изучения многостраничных распечаток содержимого памяти и регистров или использования отладочной печати.
Появление электронно-лучевых дисплеев и переосмысление возможностей применения клавиатур поставили на очередь решение этой проблемы. Логическим расширением систем мультипрограммирования стали time-sharing системы, или системы разделения времени . В них процессор переключается между задачами не только на время операций ввода-вывода, но и просто по прошествии определенного времени. Эти переключения происходят так часто, что пользователи могут взаимодействовать со своими программами во время их выполнения, то есть интерактивно. В результате появляется возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе. У каждого пользователя для этого должна быть хотя бы одна программа в памяти. Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти. Основная часть программы находится на диске, и фрагмент, который необходимо в данный момент выполнять, может быть загружен в оперативную память, а ненужный – выкачан обратно на диск. Это реализуется с помощью механизма виртуальной памяти . Основным достоинством такого механизма является создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ.
В системах разделения времени пользователь получил возможность эффективно производить отладку программы в интерактивном режиме и записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры. Появление on-line-файлов привело к необходимости разработки развитых файловых систем .
Параллельно внутренней эволюции вычислительных систем происходила и внешняя их эволюция. До начала этого периода вычислительные комплексы были, как правило, несовместимы. Каждый имел собственную операционную систему, свою систему команд и т. д. В результате программу, успешно работающую на одном типе машин, необходимо было полностью переписывать и заново отлаживать для выполнения на компьютерах другого типа. В начале третьего периода появилась идея создания семейств программно совместимых машин, работающих под управлением одной и той же операционной системы. Первым семейством программно совместимых компьютеров , построенных на интегральных микросхемах, стала серия машин IBM/360. Разработанное в начале 60-х годов, это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. За ним последовала линия компьютеров PDP, несовместимых с линией IBM, и лучшей моделью в ней стала PDP-11.
Сила «одной семьи» была одновременно и ее слабостью. Широкие возможности этой концепции (наличие всех моделей: от мини-компьютеров до гигантских машин; обилие разнообразной периферии; различное окружение; различные пользователи) порождали сложную и громоздкую операционную систему. Миллионы строчек Ассемблера, написанные тысячами программистов, содержали множество ошибок, что вызывало непрерывный поток публикаций о них и попыток исправления. Только в операционной системе OS/360 содержалось более 1000 известных ошибок. Тем не менее, идея стандартизации операционных систем была широко внедрена в сознание пользователей и в дальнейшем получила активное развитие.
Следующий период в эволюции вычислительных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). Вэти годы (с 1980 г. по настоящее время) произошло резкое возрастание степени интеграции и снижение стоимости микросхем. Компьютер, не отличающийся по архитектуре от PDP-11, по цене и простоте эксплуатации стал доступен отдельному человеку, а не отделу предприятия или университета. Наступила эра персональных компьютеров. Первоначально персональные компьютеры предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т. п.).
Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения.
Однако рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем.
В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров , в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем .
В сетевых операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера, только они должны знать об их наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы, отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения не меняют структуру операционной системы.
Распределенная система , напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где хранятся его файлы – на локальной или удаленной машине – и где выполняются его программы. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.
В дальнейшем автономные операционные системы мы будем называть классическими операционными системами.
Просмотрев этапы развития вычислительных систем, мы можем выделить шесть основных функций , которые выполняли классические операционные системы в процессе эволюции:
Планирование заданий и использования процессора;
Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации;
Управление памятью;
Управление файловой системой;
Управление вводом-выводом;
Обеспечение безопасности
Каждая из приведенных функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся структурным компонентом ОС. В каждой операционной системе эти функции, конечно, реализовывались по-своему, в различном объеме. Они не были изначально придуманы как составные части операционных систем, а появились в процессе развития, по мере того как вычислительные системы становились все более удобными, эффективными и безопасными. Эволюция вычислительных систем, созданных человеком, пошла по такому пути, но никто еще не доказал, что это единственно возможный путь их развития. Операционные системы существуют потому, что на данный момент их существование – это разумный способ использования вычислительных систем.
Первый период (1945 -1955). В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства (в США и Великобритании), в СССР первая ламповая вычислительная машина появилась в 1951 году. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Элементная база – электронные лампы и коммуникационные панели. Операционных систем не было, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную программистом с пульта управления. Системное программное обеспечение - библиотеки математических и служебных подпрограмм.
Второй период (1955 - 1965). С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов (транзисторы). В эти годы появились первые алгоритмические языки и, следовательно, первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, увеличивающие коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. Был разработан формальный язык управления заданиями. Появился механизм виртуальной памяти.
Третий период (1965 - 1975). Переход к интегральным микросхемам. Создание семейств программно-совместимых машин (серия машин IBM System/360, советский аналог - машины серии ЕС). В этот период времени были реализованы практически все основные концепции, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, многотерминальный режим, виртуальная память, файловая система, разграничение доступа и сетевая работа. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режим работы, специальные регистры для переключения контекстов, средства защиты областей памяти и система прерываний. Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел. Появился новый тип ОС - системы разделения времени. В конце 60-х годов начаты работы по созданию глобальной сети ARPANET, ставшей отправной точкой для Интернета. К середине 70-х годов широкое распространение получили мини-компьютеры. Их архитектура была значительно упрощена по сравнению с мейнфреймами, что нашло отражение и в их ОС. Экономичность и доступность мини-компьютеров послужила мощным стимулом к созданию первых локальных сетей. С середины 70-х годов началось массовое использование ОС UNIX. В конце 70-х был создан рабочий вариант протокола TCP/IP, в 1983 году он был стандартизирован.
Четвертый период (1980 - настоящее время). Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошел резкий рост степени интеграции и удешевление микросхем. Наступила эра персональных компьютеров. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами. Реализован графический интерфейс пользователя (GUI - Graphical User Interface), теория которого была разработана еще в 60-е годы. С 1985 года стала выпускаться Windows, это была графическая оболочка MS-DOS вплоть до 1995г., когда вышла полноценная ОС Windows 95. IBM и Microsoft совместно разработали операционную систему OS/2. Она поддерживала вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс, виртуальную машину для выполнения DOS-приложений. Первая версия вышла 1987 г. В дальнейшем Microsoft отказалась от OS/2 и приступила к разработке Windows NT. Первая версия вышла в 1993г.
В 1987г. была выпущена операционная система MINIX (прототип LINUX), она была построена по принципу микроядерной архитектуры.
В 80-е годы были приняты основные стандарты на коммуникационное оборудование для локальных сетей: в 1980 году –Ethernet, в 1985 – Token Ring, в конце 80-х – FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях, а также стандартизировать интерфейс ОС с драйверами сетевых адаптеров.
В 90-е годы практически все ОС стали сетевыми. Появились специализированные ОС, предназначенные исключительно для решения коммуникационных задач (IOS компании Cisco Systems). Появление службы World Wide Web (WWW) в 1991 году придало мощный импульс развитию популярности Интернета. Развитие корпоративных сетевых операционных систем выходит на первый план. Возобновляется развитие ОС мейнфреймов. В 1991г. была выпущена LINUX. Чуть позже вышла FreeBSD (основой для нее послужила BSD UNIX).
ПОНЯТИЕ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.
Назначение ОС - организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса (Интерфейс - совокупность аппаратуры и программных средств, необходимых для подключения периферийных устройств к ПЭВМ) между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС. Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.
В программном обеспечении ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонент программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.
В соответствии с условиями применения различают три режима ОС: пакетной обработки, разделения времени и реального времени. В режиме пакетной обработки ОС последовательно выполняет собранные в пакет задания. В этом режиме пользователь не имеет контакта с ЭВМ, получая лишь результаты вычислений. В режиме разделения времени ОС одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ. В режиме реального времени ОС обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами. Время отклика ЭВМ с ОС реального времени на возмущающее воздействие должно быть минимальным.
Этапы развития операционных систем
Первый период (1945 -1955)
Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэбиджем в конце восемнадцатого века. Его "аналитическая машина" так и не смогла но-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники. Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.
Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин произошел после второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.
Второй период (1955 - 1965)
С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационщиков и разработчиков вычислительных машин.
В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.
Третий период (1965 - 1980)
Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.
Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/произ-водительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.
Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.
Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.
Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.
Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.
Базовые сетевые утилиты.
Linux является сетевой операционной системой. Это означает, что пользователь может пересылать файлы и работать не только на своей локальной машине, но, пользуясь удаленным доступом, получать и посылать файлы, выполнять какие-то действия и на удаленной машине. Обширный набор сетевых утилит делает процесс работы на удаленном компьютере таким же удобным, как и на локальной ЭВМ
В целях обеспечения безопасности при работе на удаленном компьютере стоит использовать утилиту ssh (secure shell). Конечно, пользователь должен быть зарегистрирован в той системе, где он собирается работать. В окне эмулятора терминала пользователь должен ввести команду.
ssh user_login@host
где login - регистрационное имя пользователя на машине host. Другой вариант таков:
ssh host -l user_login
Функциями в Excel называют заранее определенные формулы, с помощью которых выполняются вычисления в указанном порядке по заданным величинам. При этом вычисления могут быть как простыми, так и сложными.
Например, определение среднего значения пяти ячеек можно описать формулой: =(A1 + A2 + A3 + A4 + A5)/5, а можно специальной функцией СРЗНАЧ, которая сократит выражение до следующего вида: СРЗНАЧ(А1:А5). Как видите, что вместо ввода в формулу всех адресов ячеек можно использовать определенную функцию, указав ей в качестве аргумента их диапазон.
Для работы с функциями в Excel на ленте существует отдельная закладка Формулы, на которой располагаются все основные инструменты для работы с ними
Выбрать необходимую категорию можно на ленте в группе Библиотека функций во вкладке Формулы. После щелчка по стрелочке, располагающейся рядом с каждой из категорий, раскрывается список функций, а при наведении курсора на любую из них, появляется окно с ее описанием.
Ввод функций, как и формул, начинается со знака равенства. После идет имя функции, в виде аббревиатуры из больших букв, указывающей на ее значение. Затем в скобках указываются аргументы функции – данные, использующиеся для получения результата.
В качестве аргумента может выступать конкретное число, самостоятельная ссылка на ячейку, целая серия ссылок на значения или ячейки, а так же диапазон ячеек. При этом у одних функций аргументы – это текст или числа, у других – время и даты.
Многие функции могут иметь сразу несколько аргументов. В таком случае, каждый из них отделяется от следующего точкой с запятой. Например, функция =ПРОИЗВЕД(7; A1; 6; B2) считает произведение четырёх разных чисел, указанных в скобках, и соответственно содержит четыре аргумента. При этом в нашем случае одни аргументы указаны явно, а другие, являются значениями определенных ячеек.
Так же в качестве аргумента можно использовать другую функцию, которая в этом случае называется вложенной. Например, функция =СУММ(A1:А5; СРЗНАЧ(В5:В10)) суммирует значения ячеек находящихся в диапазоне от А1 до А5, а так же среднее значение чисел, размещенных в клетках В5, В6, В7, В8, В9 и В10.
У некоторых простых функций аргументов может не быть вовсе. Так, с помощью функции =ТДАТА() можно получить текущие время и дату, не используя никаких аргументов.
Далеко не все функции в Ecxel имеют простое определение, как функция СУММ, осуществляющая суммирование выбранных значений. Некоторые из них имеют сложное синтаксическое написание, а так же требуют много аргументов, которые к тому же должны быть правильных типов. Чем сложнее функция, тем сложнее ее правильное составление. И разработчики это учли, включив в свои электронные таблицы помощника по составлению функций для пользователей – Мастер функций.
Для того что бы начать вводить функцию с помощью Мастера функций, щелкните на значок Вставить функцию (fx), расположенный слева от Строки формул.
Так же кнопку Вставить функцию вы найдете на ленте сверху в группе Библиотека функций во вкладке Формулы. Еще одним способом вызова мастера функций является сочетание клавиш Shift+F3.
После открытия окна помощника, первое, что вам придется сделать – это выбрать категорию функции. Для этого можно воспользоваться полем поиска или ниспадающим списком.
В середине окна отражается перечень функций выбранной категории, а ниже - краткое описание выделенной курсором функции и справка по ее аргументам. Кстати назначение функции часто можно определить по ее названию.
Сделав необходимый выбор, щелкните по кнопке ОК, после чего появится окно Аргументы функции.
Диаграммы
Довольно часто числа в таблице, даже отсортированные должным образом, не позволяют составить полную картину по итогам вычислений. Что бы получить наглядное представление результатов, в MS Excel существует возможность построения диаграмм различных типов. Это может быть как обычная гистограмма или график, так и лепестковая, круговая или экзотическая пузырьковая диаграмма. Более того, в программе существует возможность создавать комбинированные диаграммы из различных типов, сохраняя их в качестве шаблона для дальнейшего использования.
Диаграмму в Excel можно разместить либо на том же листе, где уже находится таблица, и в таком случае она называется «внедренной», либо на отдельном листе, который станет называться «лист диаграммы».
Для создания диаграммы на основе табличных данных сначала выделите те ячейки, информация из которых должна быть представлена в графическом виде. При этом внешний вид диаграммы зависит от типа выбранных данных, которые должны находиться в столбцах или строках. Заголовки столбцов должны находиться над значениями, а заголовки строк – слева от них.\
Затем, на ленте во вкладке Вставка в группе Диаграммы выберите нужный тип и вид диаграммы. Что бы увидеть краткое описание того или иного типа и вида диаграмм, необходимо задержать на нем указатель мыши
В правом нижнем углу блока Диаграммы располагается небольшая кнопка Создать диаграмму, с помощью которой можно открыть окно Вставка диаграммы, отображающее все виды, типы и шаблоны диаграмм.
Так же обратите внимание, на появление дополнительной закладки на ленте Работа с диаграммами, содержащая еще три вкладки: Конструктор, Макет и Формат.
На вкладке Конструктор можно изменить тип диаграммы, поменять местами строки и столбцы, добавить или удалить данные, выбрать ее макет и стиль, а так же переместить диаграмму на другой лист или другую вкладку книги.
На вкладке Макет располагаются команды, позволяющие добавлять или удалять различные элементы диаграммы, которые можно легко форматировать с помощью закладки Формат.
Вкладка Работа с диаграммами появляется автоматически всякий раз, когда вы выделяете диаграмму и исчезает, когда происходит работа с другими элементами документа.
Понятие операционной системы. Основные этапы развития операционных систем.
Рассматривая эволюцию операционных систем мы будем рассматривать, в первую очередь, историю развития вычислительных систем, потому что компьютерное железо(Hardware) и программное обеспечение (Software) эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга.
Появление новых технических возможностей приводило к прорыву в области создания удобных, эффективных и безопасных программ, а свежие идеи в программной области стимулировали поиски новых технических решений. Именно эти критерии – удобство, эффективность и безопасность – играли роль факторов естественного отбора при эволюции вычислительных систем.
Выделяется четыре периода развития вычислительной техники и операционных систем, рассмотрим их более подробно.
1. Первый период (1945–1955 гг.)
Ламповые машины. Операционных систем нет
Мы начнем исследование развития компьютерных комплексов с появления электронных вычислительных систем (опуская историю механических и электромеханических устройств). Первые шаги в области разработки электронных вычислительных машин были предприняты в конце Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства и появился принцип программы, хранящейся в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945 г.).
В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи , все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. За пультом мог находиться только один пользователь.
Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панели переключателей. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины.
В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951–1952 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает Ассемблер для IBM-701.
Существенная часть времени уходила на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных .
В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.
2. Второй период (1955 г.–начало 60-х)
Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы
С середины 50-х годов начался следующий период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы – полупроводниковых элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь машины могут непрерывно работать достаточно долго, чтобы на них можно было возложить выполнение практически важных задач. Снижается потребление вычислительными машинами электроэнергии, совершенствуются системы охлаждения. Размеры компьютеров уменьшились. Снизилась стоимость эксплуатации и обслуживания вычислительной техники. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами.
Одновременно наблюдается бурное развитие алгоритмических языков (LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). Появляются первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм . Упрощается процесс программирования. Пропадает необходимость взваливать на одних и тех же людей весь процесс разработки и использования компьютеров. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов , специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.
Большая электронно-счетная машина БЭСМ-6
Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и указывает необходимые ресурсы. Такая колода получает название задания . Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение. Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно через некоторое (довольно продолжительное) время.
Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ, в результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими ресурсами начинают собирать вместе, создавая пакет заданий.
Появляются первые системы пакетной обработки , которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и тем самым увеличивают коэффициент загрузки процессора .
При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями , с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине.
Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем , они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом
3. Третий период (начало 60-х – 1980 г.)
Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС
Следующий важный период развития вычислительных машин относится к началу 60-х – 1980 г. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам . Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами. Повышается производительность процессоров .
Повышению эффективности использования процессорного времени мешает низкая скорость работы механических устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 600 строк в минуту). Вместо непосредственного чтения пакета заданий с перфокарт в память начинают использовать его предварительную запись, сначала на магнитную ленту, а затем и на диск. Когда в процессе выполнения задания требуется ввод данных, они читаются с диска. Точно так же выходная информация сначала копируется в системный буфер и записывается на ленту или диск, а печатается только после завершения задания.
Вначале действительные операции ввода-вывода осуществлялись в режиме off-line, то есть с использованием других, более простых, отдельно стоящих компьютеров. В дальнейшем они начинают выполняться на том же компьютере, который производит вычисления, то есть в режиме on-line. Такой прием получает название spooling (сокращение от Simultaneous Peripheral Operation On Line ) или подкачки-откачки данных. Введение техники подкачки-откачки в пакетные системы позволило совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, но потребовало разработки аппарата прерываний для извещения процессора об окончании этих операций.
Магнитные ленты были устройствами последовательного доступа, то есть информация считывалась с них в том порядке, в каком была записана. Появление магнитного диска, для которого не важен порядок чтения информации, то есть устройства прямого доступа , привело к дальнейшему развитию вычислительных систем. При обработке пакета заданий на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась порядком их ввода. При обработке пакета заданий на магнитном диске появилась возможность выбора очередного выполняемого задания . Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий: в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д. на счет выбирается то или иное задание.
Дальнейшее повышение эффективности использования процессора было достигнуто с помощью мультипрограммирования . Идея мультипрограммирования заключается в следующем: пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при однопрограммном режиме, а выполняет другую программу . Когда операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы.
Эта идея напоминает поведение преподавателя и студентов на экзамене. Пока один студент (программа) обдумывает ответ на вопрос (операция ввода-вывода), преподаватель (процессор ) выслушивает ответ другого студента (вычисления). Естественно, такая ситуация требует наличия в комнате нескольких студентов. Точно так же мультипрограммирование требует наличия в памяти нескольких программ одновременно. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом, и не должна влиять на выполнение другой программы. (Студенты сидят за отдельными столами и не подсказывают друг другу.)
Появление мультипрограммирования требует настоящей революции в строении вычислительной системы. Особую роль здесь играет аппаратная поддержка (многие аппаратные новшества появились еще на предыдущем этапе эволюции), наиболее существенные особенности которой перечислены ниже.
- Реализация защитных механизмов
.
Программы не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных команд. Привилегированные команды, например команды ввода-вывода, могут исполняться только операционной системой . Говорят, что она работает в привилегированном режиме. Переход управления от прикладной программы к ОС сопровождается контролируемой сменой режима. Кроме того, это защита памяти, позволяющая изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а ОС – от программ пользователей. - Наличие прерываний
.
Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие, например завершилась операция ввода-вывода.
Внутренние прерывания (сейчас их принято называть исключительными ситуациями ) возникают, когда выполнение программы привело к ситуации, требующей вмешательства ОС , например деление на ноль или попытка нарушения защиты. - Развитие параллелизма в архитектуре
.
Прямой доступ к памяти и организация каналов ввода-вывода позволили освободить центральный процессор от рутинных операций.
Не менее важна в организации мультипрограммирования роль операционной системы . Она отвечает за следующие операции.
- Организация интерфейса между прикладной программой и ОС при помощи системных вызовов .
- Организация очереди из заданий в памяти и выделение процессора одному из заданий потребовало планирования использования процессора .
- Переключение с одного задания на другое требует сохранения содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения задания, иначе говоря, контекста для обеспечения правильного продолжения вычислений.
- Поскольку память является ограниченным ресурсом, нужны стратегии управления памятью , то есть требуется упорядочить процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти.
- Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям пользователей.
- Поскольку программам может потребоваться произвести санкционированный обмен данными, необходимо их обеспечить средствами коммуникации .
- Для корректного обмена данными необходимо разрешать конфликтные ситуации , возникающие при работе с различными ресурсами и предусмотреть координацию программами своих действий, т.е. снабдить систему средствами синхронизации.
Мультипрограммные системы обеспечили возможность более эффективного использования системных ресурсов (например, процессора , памяти, периферийных устройств), но они еще долго оставались пакетными . Пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием и должен был предусмотреть с помощью управляющих карт все возможные ситуации. Отладка программ по-прежнему занимала много времени и требовала изучения многостраничных распечаток содержимого памяти и регистров или использования отладочной печати.
Появление электронно-лучевых дисплеев и переосмысление возможностей применения клавиатур поставили на очередь решение этой проблемы.
Логическим расширением систем мультипрограммирования стали time-sharing системы, или системы разделения времени . В них процессор переключается между задачами не только на время операций ввода-вывода, но и просто по прошествии определенного времени. Эти переключения происходят так часто, что пользователи могут взаимодействовать со своими программами во время их выполнения, то есть интерактивно. В результате появляется возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе. У каждого пользователя для этого должна быть хотя бы одна программа в памяти.
Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти . Основная часть программы находится на диске, и фрагмент, который необходимо в данный момент выполнять, может быть загружен в оперативную память, а ненужный – выкачан обратно на диск. Это реализуется с помощью механизма виртуальной памяти . Основным достоинством такого механизма является создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ.
В системах разделения времени пользователь получил возможность эффективно производить отладку программы в интерактивном режиме и записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры. Появление on-line-файлов привело к необходимости разработки развитых файловых систем.
Параллельно внутренней эволюции вычислительных систем происходила и внешняя их эволюция. До начала этого периода вычислительные комплексы были, как правило, несовместимы. Каждый имел собственную операционную систему , свою систему команд и т. д. В результате программу, успешно работающую на одном типе машин, необходимо было полностью переписывать и заново отлаживать для выполнения на компьютерах другого типа. В начале третьего периода появилась идея создания семейств программно совместимых машин , работающих под управлением одной и той же операционной системы .
Первым семейством программно совместимых компьютеров, построенных на интегральных микросхемах , стала серия машин IBM/360 . Разработанное в начале 60-х годов, это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. За ним последовала линия компьютеров PDP, несовместимых с линией IBM, и лучшей моделью в ней стала PDP-11.
Сила «одной семьи» была одновременно и ее слабостью. Широкие возможности этой концепции (наличие всех моделей: от мини-компьютеров до гигантских машин; обилие разнообразной периферии; различное окружение; различные пользователи) порождали сложную и громоздкую операционную систему . Миллионы строчек Ассемблера, написанные тысячами программистов, содержали множество ошибок, что вызывало непрерывный поток публикаций о них и попыток исправления.
Только в операционной системе OS/360 содержалось более 1000 известных ошибок. Тем не менее идея стандартизации операционных систем была широко внедрена в сознание пользователей и в дальнейшем получила активное развитие.
4. Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время)
Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы
Следующий период в эволюции вычислительных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС) . В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и снижение стоимости микросхем. Компьютер, не отличающийся по архитектуре от PDP-11, по цене и простоте эксплуатации стал доступен отдельному человеку, а не отделу предприятия или университета. Наступила эра персональных компьютеров.
Первоначально персональные компьютеры предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т. п.).
Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения.
Однако рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем.
В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем .
В сетевых операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера, только они должны знать об их наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы , отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения не меняют структуру операционной системы .
Распределенная система , напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся – на локальной или удаленной машине – и где его программы выполняются. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.
В дальнейшем автономные операционные системы мы будем называть классическими операционными системами .
Просмотрев этапы развития вычислительных систем, мы можем выделить шесть основных функций , которые выполняли классические операционные системы в процессе эволюции:
- Планирование заданий и использования процессора .
- Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.
- Управление памятью.
- Управление файловой системой.
- Управление вводом-выводом.
- Обеспечение безопасности
Каждая из приведенных функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся структурным компонентом ОС . В каждой операционной системе эти функции, конечно, реализовывались по-своему, в различном объеме. Они не были изначально придуманы как составные части операционных систем , а появились в процессе развития, по мере того как вычислительные системы становились все более удобными, эффективными и безопасными.
Эволюция вычислительных систем, созданных человеком, пошла по такому пути, но никто еще не доказал, что это единственно возможный путь их развития. Операционные системы существуют потому, что на данный момент их существование – это разумный способ использования вычислительных систем. Рассмотрение общих принципов и алгоритмов реализации их функций и составляет содержание большей части нашего курса, в котором будут последовательно описаны перечисленные подсистемы.
В обобщении темы «Эволюция операционных систем» предлагается краткая таблица, в которой указаны основные вехи развития вычислительной техники и операционных систем.
| Период | Развитие ОС |
| до 1955 г. | В XIX веке Чарльз Бэбидж предложил идею компьютера. Но технологии того времени не могли обеспечить изготовление деталей точной механики, которые были необходимы для этой машины. И его «аналитическая машина» так и не смогла заработать.В середине 40-х гг. XX в. появились ламповые вычислительные устройства. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач.
Программирование таких вычислительных машин осуществлялось исключительно на машинном языке, и все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, не было. |
| 1955 – 1965 гг. | Появление новой технической базы – полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. В эти годы появились первые алгоритмические языки
, и первые системные программы – компиляторы
.
Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки , которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой, и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. |
| 1965 – начало 70-х гг. | В технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам. Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360.
Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были работать на больших и малых вычислительных системах с различными периферийными устройствами, и обеспечивать применение вычислительной системы в коммерческой области и в области научных исследований. ОС, удовлетворяющие всем требованиям, были громоздкими, сложными, они содержали множество ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. Примером такой ОС может служить OS/360 (фирма IBM).В этот период были реализованы почти все основные механизмы, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, разграничение доступа, работа в сети.Мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Мультипрограммирование было реализовано в системах пакетной обработки и в системах разделения времени . Для возможности работы с компьютером большого числа пользователей были разработаны многотерминальные системы , когда каждый пользователь работает за своим терминалом. Многотерминальный режим использовался и в системах разделения времени, и в системах пакетной обработки. При этом и пользователи, и оператор могли формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. В режиме мультипрограммирования каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом . Другое нововведение в машинах третьего поколения – спулинг (spooling) – способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел. В это время ОС стали неотъемлемой частью компьютеров, взявшей на себя большую часть действий по организации вычислительного процесса. |
| 70-е – 1980 гг. | В начале 70-х гг. появились первые прототипы сетевых операционных систем
, которые в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями.
К середине 70-х гг. получили большое распространение миникомпьютеры: Nova, PDP-11, HP. Их архитектура стала значительно проще, что упростило и операционные системы. ОС миникомпьютеров стали делать специализированными, например, только для управления в реальном времени (RT11 для PDP-11) или только для поддержания режима разделения времени. Эти операционные системы не были многопользовательскими. |
| 1980 – 90-е гг. | Этот период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров.
Функционально они ничем не отличались от миникомпьютеров типа PDP-11, но цена у них была существенно ниже. Что позволило иметь собственный компьютер практически каждому человеку, а не отделу или институту.
Компьютеры стали использоваться неспециалистами, что потребовало «дружественности» от программного обеспечения. На рынке операционных систем в эти годы доминировали две системы: MS-DOS и Unix. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486.Мультипрограммная многопользовательская ОС Unix использовалась, в основном, на «неинтеловских» компьютерах, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров. Все десятилетие происходило усовершенствование этой ОС, в результате чего стали появляться ее новые разновидности: SunOS, HP-UX, Irix, AIX.Значительное распространение персональных компьютеров послужило катализатором для бурного роста локальных сетей. Ещё одной важной разработкой этого десятилетия стало появление стека протоколов TCP/IP, становление Интернета, стандартизация технологий локальных сетей, и более интенсивное развитие сетевых операционных систем (OS-Net фирмы Nowell, OS/2 фирм Microsoft и IBM). |
| Современный этап развития ОС | В 90-е годы почти все ОС становятся сетевыми, способными работать с разнородными клиентами и серверами, поддерживают средства работы с Интернетом. Появляются специализированные сетевые ОС, предназначенные исключительно для выполнения коммуникационных задач, например, система IOS фирмы Cisco Systems работающая в маршрутизаторах.
Особое место уделяется корпоративным ОС, им отводится основная роль в развитии ОС в ближайшем будущем. Такая ОС должна устойчиво работать в крупных сетях больших предприятий. Для корпоративных систем характерна высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде. К корпоративным ОС в настоящее время относят Windows 2000, Windows NT, различные Unix-системы. |
Эволюция операционных систем состоит из следующих этапов:
- Последовательное выполнение заданий
- Простая пакетная обработка
- Мультипрограммирование в пакетных системах
- Разделение времени
- Современные ОС
Первая фаза развития ОС
Время ЭВМ дороже времени человека
- Один пользователь в один момент времени работает напрямую с консолью
- Первые «ОС» — общие библиотеки вв/выв
- Простой монитор пакетной обработки – убрать пользователя от компьютера. ОС – программа для загрузки и исполнения пользовательских заданий и сохранения результатов
- Каналы данных, прерывания, одновременное выполнение операций вв/выв и вычислений
- Защита памяти позволяет реализовывать многозадачность: несколько пользователей используют одну систему
- ОС должна управлять взаимодействием, параллельностью
- К середине 60х ОС становятся большими и сложными
- Область ОС становится важной дисциплиной со своими принципами
Вторая фаза развития ОС
Время человека дороже времени ЭВМ
- Интерактивное разделение времени: удобные файловые системы, проблемы с временем ответа
- Персональные компьютеры: они дешевые, поэтому каждый терминал – ПК
- Сеть позволяет организовать общий доступ и взаимодействие между машинами
- Встроенные устройства: компьютеры помещаются в сотовые телефоны, стерео проигрыватели, телевизоры и пр.
- Насколько там нужны сложные алгоритмы разделения времени.
Настоящее и будущее ОС
Будущее в научном развитии ОС
- Очень маленькие ОС (для мобильных устройств)
- Очень большие ОС (центр обработки данных, облачные вычисления)
Характеристики текущих ОС
- Огромные миллионы строк исходного кода, 100-1000 человеко-лет разработки
- Сложные: асинхронные, зависимые от аппаратного обеспечения, ориентированные на высокую производительность
- Плохо понимаемые
Направление исследований
Постоянно возникают новые направления исследований
- Встраиваемые системы (iPоd – плеер компании Apple потребовал разработки собственной унифицированной ОС)
- Системы сенсоров (очень низкое энергопотребление, жесткие требования в памяти)
- Одноранговые сети
- Беспроводные сети
- Маштабируемые системы, кластерные системы
Старые проблемы требуют новых подходов к решению
- Эволюция смартфонов повторяет эволюцию ПК, которая повторяла эволюцию миникомпьютеров, а они в свою очередь минифреймов
Загрузка...
