Третий период (начало 60-х – 1980 г.). Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС - Конспект Лекций, раздел Информатика, Введение. Состав вычислительной системы, программного обеспечения и других программных обеспечений Следующий Важный Период Развития Вычислительных Машин Относится К Началу 60-Х...
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.
3. 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.
4. 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.
5. 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 времени1). 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.
Все темы данного раздела:
Состав вычислительных систем
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно расс
Аппаратное обеспечение
К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-мо
Программное обеспечение
Программы – это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы – управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак н
ОС как расширенная машина
Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может и
ОС как система управления ресурсами
Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором
Краткая история эволюции вычислительных систем
Мы будем рассматривать историю развития именно вычислительных, а не операционных систем, потому что hardware и программное обеспечение эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на
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
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 п
Лекция 4. Понятие операционной системы. 4 часа.
План:
1. Чем определяется основные возможности ОС.
2. Основные принципы построения ОС.
Как комплекс системных управляющих
Монолитные системы
В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры (
Многоуровневые системы
Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п.
Модель клиент-сервер и микроядра
Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и п
Лекция 6. Понятие ресурса в ОС.
План:
1. Понятие ресурса в ОС.
2. Классификация ресурсов по признакам.
3. Описание класс ресурсов.
В общем случае, всякий потреб
Понятие процесса
В первой лекции, поясняя понятие "операционная система" и описывая способы построения операционных систем, мы часто применяли слова "программа" и "задание". Мы говорил
Состояния процесса
При использовании такой абстракции все, что выполняется в вычислительных системах (не только программы пользователей, но и, возможно, определенные части операционных систем), организовано как набор
Набор операций
Процесс не может перейти из одного состояния в другое самостоятельно. Изменением состояния процессов занимается операционная система, совершая операции над ними. Количество таких операций в нашей м
Process Control Block и контекст процесса
Для того чтобы операционная система могла выполнять операции над процессами, каждый процесс представляется в ней некоторой структурой данных. Эта структура содержит информацию, специфическую для да
Переключение контекста
До сих пор мы рассматривали операции над процессами изолированно, независимо друг от друга. В действительности же деятельность мультипрограммной операционной системы состоит из цепочек операций, вы
Планирование процессов
Здесь рассматриваются вопросы, связанные с различными уровнями планирования процессов в операционных системах. Описываются основные цели и критерии планирования, а также параметры, на которых оно о
Уровни планирования
В первой лекции, рассматривая эволюцию компьютерных систем, мы говорили о двух видах планирования в вычислительных системах: планировании заданий и планировании использования процессора.
П
Критерии планирования и требования к алгоритмам
Для каждого уровня планирования процессов можно предложить много различных алгоритмов. Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы
Параметры планирования
Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной
Алгоритмы планирования
Существует достаточно большой набор разнообразных алгоритмов планирования, которые предназначены для достижения различных целей и эффективны для разных классов задач:
1) First-Come, First-
Самые простые схемы управления памятью.
План:
1.Физическая память компьютера.
2.Логическая память компьютера.
3.Функции системы управления памятью
4.Про
Физическая организация памяти компьютера
Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память.
Основная память представляет собой упоря
Локальность
Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к уровню памяти снижается также и частота обращений к нему.
Ключевую роль здесь играет свойство реальных програ
Логическая память
Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных. Большинство программ представляет собой
Связывание адресов
Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разряднос
Функции системы управления памятью
Чтобы обеспечить эффективный контроль использования памяти, ОС должна выполнять следующие функции:
отображение адресного пространства процесса на конкретные области физической памяти
Простейшие схемы управления памятью
Первые ОС применяли очень простые методы управления памятью. Вначале каждый процесс пользователя должен был полностью поместиться в основной памяти, занимать непрерывную область памяти, а система п
Оверлейная структура
Так как размер логического адресного пространства процесса может быть больше, чем размер выделенного ему раздела (или больше, чем размер самого большого раздела), иногда используется техника, назыв
Динамическое распределение. Свопинг
Имея дело с пакетными системами, можно обходиться фиксированными разделами и не использовать ничего более сложного. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии с
Страничная память
Описанные выше схемы недостаточно эффективно используют память, поэтому в современных схемах управления памятью не принято размещать процесс в оперативной памяти одним непрерывным блоком.
Сегментная и сегментно-страничная организация памяти
Существуют две другие схемы организации управления памятью: сегментная и сегментно-страничная. Сегменты, в отличие от страниц, могут иметь переменный размер. Идея сегментации изложена во введении.
Понятие виртуальной памяти
Разработчикам программного обеспечения часто приходится решать проблему размещения в памяти больших программ, размер которых превышает объем доступной оперативной памяти. Один из вариантов решения
Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти
В самом распространенном случае необходимо отобразить большое виртуальное адресное пространство в физическое адресное пространство существенно меньшего размера. Пользовательский процесс или ОС долж
Ассоциативная память
Поиск номера кадра, соответствующего нужной странице, в многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. В некоторых случаях такая заде
Лекция 9. Файловые системы
План:
1. Функции файловой системы.
2. Файловые системы FAT, VFAT и FAT32.
3. Основные возможности файловых систем HPFS и NTFS.
&
Функции файловой системы и иерархия данных
Напомним, что под файлом обычно понимают именованный набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие
Файловая система FAT
Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:
□ непосредственно адресуемые участк
Файловые системы VFAT и FAT32
Одной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было использование имен файлов формата 8.3. К стандартной системе FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT16) добавились еще д
Файловая система HPFS
Файловая система HPFS (High Performance File System — высокопроизводительная файловая система) впервые появилась в операционных системах OS/2 1.2 и LAN Manager. Она была разработана совместными ус
Файловая система NTFS
В название файловой системы NTFS (New Technology File System — файловая система новой технологии) входят слова «новая технология». Действительно, файловая система NTFS по сравнению с широко известн
Надежность
Высокопроизводительные компьютеры и системы совместного использования должны обладать повышенной надежностью, которая является ключевым элементом структуры и функционирования NTFS. Система NTFS об
Ограничения доступа к файлам и каталогам
Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности операционной системы Windows NT и рассматривает все тома, каталоги и файлы как самостоятельные объекты. Система NTFS обеспечивает
Расширенная функциональность
Система NTFS проектировалась с учетом возможного расширения. В ней были воплощены многие дополнительные возможности — повышенная отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель
Разрешения NTFS
Разрешения NTFS (NTFS permissions) - это набор специальных расширенных атрибутов файла или каталога (папки), заданных для ограничения доступа пользователей к этим объектам. Они имеются тол
Разрешения NTFS в Windows NT 4.0
В NTFS для Windows NT 4.0 разрешения на доступ к файлам и каталогам бывают индивидуальными, стандартными и специальными.
Индивидуальные разрешения. Под индивидуальными
Лекция 10. Сетевые операционные системы
План:
1. Структура сетевой операционной системы
2. Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами
3. ОС для рабочих групп и ОС для сетей масштаба п
Лекция 11.Операционная система Windows NT и сравнительная характеристика других сетевых ОС
План:
1. Характеристики ОС Windows NT
2. Службы Windows NT
3. Возможности Windows NT
4. Сравнительные характеристики сетевых операционных систем
Лекция 12. Краткий обзор современных операционных систем
План:
1. Семейство ОС UNIX.
2. Общая характеристика и особенности архитектуры.
3. Интерфейс пользователя.
4. Основные особенност
Семейство операционных систем UNIX
UNIX является исключительно удачным примером реализации простой мультипрограммной и многопользовательской операционной системы. В свое время она проектировалась как инструментальная система для ра
И особенности архитектуры
Первой целью при разработке этой системы было стремление сохранить простоту и обойтись минимальным количеством функций. Все реальные сложности оставлялись пользовательским программам.
Вто
Виртуальная машина
Система UNIX многопользовательская. Каждому пользователю после регистрации (входа в систему) предоставляется виртуальный компьютер, в котором есть все необходимые ресурсы: процессор (процессорное
Суперпользователь
Очевидно, что администратор системы, который тоже является зарегистрированным пользователем, чтобы управлять всей системой, должен обладать существенно большими, чем обычные пользователи, привилег
Интерфейс пользователя
Традиционный способ взаимодействия пользователя с системой UNIX основывается на командных языках. После входа пользователя в систему для него запускается один из командных интерпретаторов (в зави
Процессы
Процесс в системах UNIX— это процесс в классическом понимании этого термина, то есть это программа, выполняемая в собственном виртуальном адресном пространстве. Когда пользователь входит в систему
Выполнение процессов
Процесс может выполняться в одном из двух состояний, а именно пользовательском и системном. В пользовательском состоянии процесс выполняет пользовательскую программу и имеет доступ к
Взаимодействие между процессами
Операционная система UNIX и полной мере отвечает требованиям технологии клиент-сервер. Эта универсальная модель служит основой построения любых сколь угодно сложных систем, в том числе и сетевых. Р
Сигналы
Если рассматривать выполнение процесса на виртуальном компьютере, который предоставляется каждому пользователю, то в такой системе должна существовать система прерываний, отвечающая стандартным тре
Лекция 13. Операционная система Linux
План:
1. ОС Linux.
2. ОС FreeBSD
3. Основные особенности ОС Linux и FreeBSD
Linux— это современная UNIX-подобная операционная система для персон
Операционная система FreeBSD
Помимо Linux к свободно распространяемым операционным системам семейства UNIX следует отнести FreeBSD. Принципиальное и самое важное различие между этими операционными системами заключается в том,
Реального времени QNX
План:
1. Сетевые ОС реального времени QNX и её особенности.
2. Архитектура ОС QNX.
3. Семейство ОС OS/2 Warp компоненты IBM.
4. Особенности архи
Архитектура системы QNX
Итак, QNX — это операционная система реального времени для персональных компьютеров, позволяющая эффективно организовать распределенные вычисления. В системе реализована концепция связи между зада
Основные механизмы организации распределенных вычислений
QNX является сетевой операционной системой, которая позволяет организовать эффективные распределенные вычисления. Для этого на каждой машине, называемой узлом, помимо ядра и менеджера процессов дол
Warp компании IBM
История появления, расцвета и практического ухода со сцены операционных систем под общим названием OS/2 и странна, и поучительна. Будучи одной из самых лучших операционных систем для персональных
Системы Windows 9.Х.
План:
1. Операционные системы Windows.
2. ОС Windows 9.X.
3. Архитектура и основные возможности.
4. ОС Windows NT/2000/XP.
5. Основные
Организация многозадачности
Одним из наиболее актуальных вопросов, которые решает любая многозадачная операционная система, в том числе и системы Windows 9х, состоит в организации по возможности простого, но эффективною спосо
Распределение оперативной памяти
Для загрузки операционные системы Windows 95/98 используют операционную систему MS DOS 7.0 (MS DOS 98). и в случае если в секции [Options] файла MSDOS.SYS имеется строка BootGUI= 0, процессор работ
Операционные системы Windows NT/2000/XP
Компания Microsoft в 1990 году объявила о начале работ по созданию принципиально новой операционной системы для персональных IBM PC-совместимых компьютеров с прицелом на корпоративный сектор, кото
Основные особенности архитектуры
Наиболее принципиальным отличием между системами класса Windows 9х и Windows NT является то, что у них разная архитектура.
Большинство операционных систем использует такую особенность совр
Модель безопасности
При разработке всех операционных систем семейства Windows NT/2000/XP компания Microsoft уделяла самое пристальное внимание обеспечению информационной безопасности. Как следствие, эти системы пред
Угрозы безопасности
Знание возможных угроз, а также уязвимых мест защиты, которые эти угрозы обычно эксплуатируют, необходимо для того, чтобы выбирать наиболее экономичные средства обеспечения безопасности.
С
Формализация подхода к обеспечению информационной безопасности
Проблема информационной безопасности оказалась настолько важной, что в ряде стран были выпущены основополагающие документы, в которых регламентированы основные подходы к проблеме информационной без
Криптография как одна из базовых технологий безопасности ОС
Многие службы информационной безопасности, такие как контроль входа в систему, разграничение доступа к ресурсам, обеспечение безопасного хранения данных и ряд других, опираются на использование кри
Идентификация и аутентификация
Для начала рассмотрим проблему контроля доступа в систему. Наиболее распространенным способом контроля доступа является процедура регистрации. Обычно каждый пользователь в системе имеет уникальный
Пароли, уязвимость паролей
Наиболее простой подход к аутентификации - применение пользовательского пароля.
Когда пользователь идентифицирует себя при помощи уникального идентификатора или имени, у него запраш
Выявление вторжений. Аудит системы защиты
Даже самая лучшая система защиты рано или поздно будет взломана. Обнаружение попыток вторжения является важнейшей задачей системы защиты, поскольку ее решение позволяет минимизировать ущерб от взло
Анализ некоторых популярных ОС с точки зрения их защищенности
Итак, ОС должна способствовать реализации мер безопасности или непосредственно поддерживать их. Примерами подобных решений в рамках аппаратуры и операционной системы могут быть:
разд
Новости и инфо для студентов