Лекция: Классификация ОС.
ОС классифицируются по следующим принципам:
1) По количеству одновременно существующих программных процессов ОС делятся на однопрограммные и мультипрограммные. В мультипрограммных ОС, в отличие от однопрограммных, вычислительный процесс организуется таким образом, что в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Такая организация позволяет значительно повысить эффективность вычислительной системы.
2) По числу пользователей, осуществляющих доступ к вычислительной системе, различают однопользовательские и многопользовательские ОС. Многопользовательские системы предоставляют возможность одновременного доступа к вычислительной системе нескольким пользователям. При этом каждый из них работает за собственным терминалом, однако все вычисления производятся на одном компьютере. Это приводит к более эффективному использованию вычислительной техники и уменьшению стоимости обработки данных.
3) По назначению ОС делятся на универсальные и специализированные. Специализированные ОС, как правило, работают с фиксированным набором программ. Применение таких систем обусловлено невозможностью использования универсальной ОС по соображениям эффективности, а также вследствие специфики решаемых задач.
4) По способу загрузки можно выделить загружаемые ОС и системы, постоянно находящиеся в памяти вычислительной системы. Последние, как правило, используются для управления работой специализированных устройств.
5) По особенности области использования ОС подразделяются на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. Системы пакетной обработки предназначаются в основном для решения задач вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Критерием эффективности таких систем является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Взаимодействие пользователя с вычислительной системой сводится к тому, что он приносит задание, отдает его оператору, а через некоторое время, после выполнения пакета заданий, получает результат
104 Апаратно-зависимые компоненты ОС
Практически все современные аппаратные платформы имеют некоторый типичный набор средств аппаратной поддержки ОС, в который входят следующие компоненты:
Средства поддержки привилегированного режимаобычно основаны на системном регистре процессора, часто называемом “словом состояния” машины или процессора. Этот регистр содержит некоторые признаки, определяющие режимы работы процессора, в том числе и признак текущего режима привилегий.
Средства трансляции адресоввыполняют операции преобразования виртуальных адресов, которые содержатся в кодах процесса, в адреса физической памяти.
Средства переключения процессовпредназначены для быстрого сохранения контекста приостанавливаемого процесса и восстановления контекста процесса, который становится активным. Контекст обычно включает содержимое всех регистров общего назначения процессора, регистра флагов операций (то есть флагов нуля, переноса, переполнения и т.п.), а также тех системных регистров и указателей, которые связаны с отдельным процессом, а не ОС, например указателя на таблицу трансляции адресов процесса.
Система прерыванийпозволяет компьютеру реагировать на внешние события, синхронизировать выполнение процессов и работу устройств ввода-вывода, быстро переходить с одной программы на другую.
Системный таймер, часто реализуемый в виде быстродействующего регистра-счетчика, необходим ОС для выдержки интервалов времени. В регистр таймера программно загружается значение требуемого интервала в условных единицах, из которого затем автоматически с определенной частотой начинает вычитаться по единице. Частота “тиков” таймера, как правило, тесно связана с частотой тактового генератора процессора.
Средства защиты областей памятиобеспечивают на аппаратном уровне проверку возможности программного кода осуществлять с данными определенной области памяти такие операции, как чтение, запись или выполнение (при передачах управления). Если аппаратура компьютера поддерживает механизм трансляции адресов, то средства защиты областей памяти встраиваются в этот механизм. Функции аппаратуры по защите памяти обычно состоят в сравнении уровней привилегий текущего кода процессора и сегмента памяти, к которому производится обращение.
Объем машинно-зависимых компонентов ОС зависит от того, насколько велики отличия в аппаратных платформах, для которых разрабатывается ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, для переноса на машину с 16-битовыми адресами должна быть практически переписана заново. Одно из наиболее очевидных отличий – несовпадение системы команд процессоров – преодолевается достаточно просто. Как правило, современная ОС программируется на языке высокого уровня, а затем соответствующим компилятором вырабатывается код для конкретного типа процессора. Однако во многих случаях различия в организации аппаратуры компьютера лежат гораздо глубже и преодолеть их таким образом не удается. Например, однопроцессорный и двухпроцессорный компьютеры требуют применения в ОС совершенно разных алгоритмов распределения процессорного времени. Аналогично, отсутствие аппаратной поддержки виртуальной памяти приводит к принципиальному различию в реализации подсистемы управления памятью. В таких случаях разработчикам не удается обойтись без внесения в код ОС специфики аппаратной платформы, для которой эта ОС предназначается.
Таким образом, любая ОС для решения своих задач взаимодействует с аппаратными средствами компьютера, а именно: средствами поддержки привилегированного режима и трансляции адресов, средствами переключения процессов и защиты областей памяти, системой прерываний и системным таймером. Это делает ОС машинно-зависимой, привязанной к определенной аппаратной платформе.
Операционная система называется переносимой ОС (portable), или мобильной, если ее код может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.
Несмотря на то, что зачастую ОС описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, мобильность – это не бинарное состояние, а понятие степени. Вопрос на самом деле не только и не столько в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Ведь если для переноса ОС с одного компьютера на другой необходимо переписать заново практически все ее модули, такая система не будет считаться переносимой, хотя принципиально ее можно назвать и так. Для того чтобы обеспечить свойство мобильности ОС, разработчик должен следовать установленным правилам.
1) Подавляющая часть кода должна быть написана на языке, трансляторы которого имеются на всех машинах, куда предполагается переносить систему. Такими языками, например, являются стандартизированные языки высокого уровня. Большинство переносимых ОС написано на языке C, который имеет много особенностей, полезных для разработки кодов ОС, и компиляторы которого широко доступны. Языки низкого уровня не подходят для решения подобных задач. Так, программа, написанная на ассемблере, является переносимой только в том случае, когда перенос ОС предполагается на компьютер, обладающий той же системой команд. В остальных случаях ассемблер используется только для тех непереносимых частей ОС, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, для обработчика прерываний), или частей, требующих максимальной производительности(например, для целочисленной арифметики повышенной точности).
2) Объем машинно-зависимых частей кода, непосредственно взаимодействующих с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован. Всегда следует избегать прямого манипулирования регистрами и другими аппаратными средствами процессора. Для уменьшения аппаратной зависимости разработчики ОС должны также исключить возможность использования по умолчанию стандартных конфигураций аппаратуры или их характеристик. Аппаратно-зависимые параметры можно “спрятать” в программно-задаваемые пользователем данные абстрактного типа. Для осуществления всех необходимых действий по управлению аппаратурой, представленной этими параметрами, должен быть написан набор аппаратно-зависимых функций. Каждый раз, когда какому-либо модулю ОС требуется выполнить некоторое действие, связанное с аппаратурой, он манипулирует абстрактными данными, используя соответствующую функцию из имеющегося набора. Когда ОС переносится, то соответственно изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют.
3) Аппаратно-зависимый код должен быть надежно изолирован в нескольких модулях, а не быть распределен по системе. Изоляции подлежат все части ОС, которые отражают специфику как процессора в отдельности, так и используемой аппаратной платформы в целом. Низкоуровневые компоненты ОС, имеющие доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам, должны быть в обязательном порядке оформлены в виде компактных логически обособленных модулей, которые могут быть заменены аналогичными по выполняемым функциям модулями для других процессоров. Для снятия платформенной зависимости, возникающей из-за различий между компьютерами разных производителей, построенными на одном и том же процессоре, должен быть введен хорошо локализованный программный слой машинно-зависимых функций с четко оговоренным межслойным интерфейсом.
В идеальном случае слой машинно-зависимых компонентов ядра полностью экранирует остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы или тех платформ, которые поддерживает данная ОС. В результате таких действий происходит как бы подмена реальной аппаратуры некой унифицированной расширенной машиной, одинаковой с точки зрения пользователя для всех возможных вариантов аппаратной платформы. Все слои, лежащие выше слоя машинно-зависимых компонентов, могут быть написаны для управления именно этой виртуальной аппаратурой. Таким образом, у разработчиков появляется возможность создавать один вариант машинно-независимой части ОС (включая компоненты ядра, утилиты, системные обрабатывающие программы) для всего набора поддерживаемых аппаратных платформ .
103 ВИды совместимости ОС