1. УВОД ВОПЕРАЦИОННИТЕСИСТЕМИ - podai.mepodai.me/wp-content/uploads/OS_1.pdf · системи. Лекция1 Операционнисистеми 2

Лекция 1 Операционни системи 1

1. УВОДВ ОПЕРАЦИОННИТЕ СИСТЕМИ

1. Определение за операционнасистема

2. Еволюция на операционнитесистеми

3. Класификация на операционнитесистеми


Определение за операционнасистема

През 60-те години на ХХ век под“операционна система се еразбирало съвкупност от“програмни средства, осигуряващиработата на хардуера”.



Днес под операционна система серазбира софтуер, който управлявазаделянето и използването нахардуерни ресурси като памет, процесорно време, дисковопространство и периферниустройства.



Операционната системаизпълнява две основни и малкосвързани функции

1. Осигурява на потребителя средстваза работа с компютъра

2. Повишава ефективността отизползването на компютъра


1. Операционната система каторазширение на компютъра

Работата с файлове се свежда къмследните операции:Отваряне на файлаЧетене и/или записванеЗатваряне на файла


2. Операционната система катосистема за управление на ресурси

Управлението на ресурситевключва решаването на две общизадачи, които не зависят от типаресурс:

1. Планиране на ресурсите2. Следене състоянието на ресурсите


Алгоритъмът за управление напроцесора определя каква еоперационната система

Система за пакетна обработкаСистема с разделяне на времетоСистема за реално време


Чарлз Бабидж (1791-1871)

Компютърът е изобретенот английскияматематик ЧарлзБабидж в края на XVIIIвек. Неговата “аналитичнамашина” не е моглаистински да заработи.


Един от 6-те демонстрационни модели на компютърните частиот машината на Чарлс Бабидж, сглобен след неговата смърт отсина му Хенри от детайлите, намерени в лабораторията


Компютър построен по проект на Чарлс Бабидж


Еволюцияна операционните системи

Първи период (1945-1955)Втори период (1955-1965)Трети период (1965-1980)Четвърти период (след 1980 г.)


Първите лампови изчислителниустройстваЕдна и съща група хораПроектираЕксплоатираПрограмира

Научноизследователска работаНе се използват за практическицели

Първи период (1945-1955)


Управление на машината от пулт зауправление:конзола с лампичкидвупозиционни превключвателикомутационен панел

Програмистът "управлява" машинатакато взаимодействува направо с голияхардуер

Управлние на машината


Програмите директно работят с хардуера, само по една в отделен момент от време

Последователна обработка


Програмиране на машинен език илиасемблерНяма операционна системаСистемен софтуер - само библиотекиот математически и служебниподпрограми

Изпълнява се само еднапрограма, която има пъленконтрол върху целия компютър

Езици за програмиране


Планиране на машинното време

Потребителите имаха достъп до компютъраедин по един последователноРаботата на машина се определяше посписък - на всеки потребител се заделяшеблок от половин часАко потребителят свърши по-ранокомпютърът не се използва до началото наследващия блокПо-често обаче заделеното времето заработа на програмата не достигаше и товабеше напразно загубено машинно време


Дублиране на усилиятапри програмиране

Всеки потребител пише програменкод за едни и същи операции, коитовече са написани от другипотребители (напр.: входно/ изходни операции)Няма никаква концепция забиблиотеки


ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)


Втори период (1955-1965)

Нова техническа база: полупроводникови елементипечатни платки

Разделяне на персонала на:програмисти и операториинженери по експлоатациятаинженери по разработването накомпютри


IBM 7094 - Columbia University


Оператори и програмистиПърви комерсиални компютриПрограмистътподготвя програмата на перфокартидонася колодата карти в машиннатазалачака резултатите

Операторътизпълнява заданиетодоставя разпечатките от работата напрограмата


Все още последователнаобработка

Една програма в един моментОгромно време за подготовка навсяка програма: Зареждане на компилатораЗареждане на програматаЗаписване на компилираната програмаЗареждане на библиотекиСвързване на изпълнимия код ...


Също така загуба на време за: поставяне и сваляне на лентипоставяне и изваждане наколодата карти отперфокартния четец и т.н.

Много време се похабяваше внепотребни манипулации иходене до различните устройства

Загуба на време


Решение: Групиране наработите заедно

Операторът прочита и записва всичкитезадания на магнитна лентаЗарежда специалната програма, монитор, която автоматично чете заданията от лентатаи ги изпълнява последователноРезултатите на всяка задача се записват навтора магнитна лентаОт втората лента резултатите се отпечатват вофлайн режим


а) Програмистът донася колодата карти до IBM 1401b) 1401 чете колодата на заданието е го записва на лентаc) Операторът пренася входната лента до IBM 7094d) 7094 прави изчислениятаe) Операторът пренася изходната лента до друго устройство 1401f) 1401 разпечатва резултатите

Втори период (1955-1965) Ранна пакетна обработка на IBM


Мониторната програма автоматизира някоиот операторските дейности и е

прародителя на съвременната ОС

Мониторът е специална програма което управлявапоследователността на събитиятаМониторът винаги се намира в основната паметМониторът

чете заданията едно по еднопоставя задачите в потребителската зона на паметтаи предава управлението на задачата

При завършване на задачата управлението се връщана Монитора, който веднага зарежда и изпълняваследващата задачаПроцесорът на зареждане/изпълнение се редувамежду програмата Монитор потребителската програма


Втори период (1955-1965)Разпределение на паметта на резидентния Монитор


Мониторът се управлява чрез език зауправление на задания (JCL)

Инструктира монитора относнотова какъв компилатор даизползва, какви данни даобработва и т.н.JCL инструкциите бяха първитесистемни извиквания

Примитивен език за програмиране: $JOB, $FTN, $LOAD, $RUN


Перфокарти


Подготовканаперфокарти

Колодаперфокарти,подготвеназаизпълнение


Перфокартно четящоустройство


Пакетният системен монитор е специалнапрограма която съжителства в паметта

заедно с изпълняваната задача

Мониторът последователно поемауправлението и го предоставя назаредената програмаМониторът трябва да се превключвамежду различни части на паметта


Хардуерът трябва да поддържапакетна обработка

Защита на паметтаТаймер (дългосрочен)Привилегировани инструкцииДоброволни прекъсвания(мониторни извиквания)Това доведе до концепцията за"Режими на работа"


Защита на паметта

Задачите нямат достъп до паметта вкоято се намира Монитора

ТаймерЛимитът на времето за работапредотвратява възможността едназадача да монополизира компютъра


Привилегировани инструкции

Определени инструкции от машиннониво могат да се изпълняват самоот МонитораНапример достъпът до:всички регистри на процесоравходно/изходните инструкции


Прави това по-лесен контрола иуправлението на потребителскитепрограмиПо-ранните компютри нямаха тазиспособност

Доброволни прекъсвания(мониторни извиквания)


Това доведе до концепциятаза "Режими на работа"

Потребителските програми се изпълняват в потребителскирежим: определени инструкции не могат да бъдатизпълнениМониторът се изпълнява в мониторен режим (или"системен режим", "режим за управление", "режим наядрото", "привилегирован режим", "режим насупервайзора", и т.н.)В мониторния режим, привилегированите инструкциимогат да се изпълняват, могат да са защитените области отпаметта и входно/изходните устройства са достъпниПотребителят/мониторният режим обикновено се управляваот един бит в думата за статуса на програмата (Program Status Word - PSW) от регистъра на процесора


Обобщение

Историята на компютърни системиразкрива проблемите възникналипред разработчици оператори иключовите идеи и решенията, коитоса актуални и днес. Информатиката е фундаменталнаемпирична наука, която главно сее развила от потребностите.


Трети период (1965-1980)

Техническата база се развива ототделни полупроводникови елементиот типа на транзистори къминтегрални микросхеми. Създава се семейство от програмносъвместими компютри.


Трети период (1965-1980)Използват се интегрални микросхеми - IBM 360


Трети период (1965-1980)

МултипрограмиранеТова е начин за организиране наизчислителния процес, при койтоедин процесор последователноизпълнява няколко програми.


Многопотребителски имногозадачни ОС


Проблем: Въпреки пакетната обработкапроцесорът дълго време не работи т.к. изчаква изпълнението на входно/изходните инструкции

Входно/изходни устройства са много по-бавно отколкото процесора

Четене на запис от файл 15 μs

Изпълнение на 100 инструкции 1 μs

Записване на запис във файл 15 μs

Общо 31 μs

Процент на използване на процесора = 1/31=0.032 = 3.2%


Решение: да се заредят двезадачи в паметта

Докато една задача изчаква приключването входно/изходнаоперация, процесорът би могъл да превключи друга задача


Разширяване до три, четириили повече задачи

Задачите са оперативната памет. Процесорът превключвазадачите от една към друга.

Мултипрограмирането е основна тема на операционните системи


Пример за мултипрограмиранес три задачи

Задача 1 Задача 2

Сложниизчисления

Сложни I/O операции

15 min

100 MB

Не

Да

Необходим е принтер Не Не Да

5 min

50 MB

Не

Не

Задача 3

Тип на задачата Сложни I/O операции

Продължителност 10 min

Необходима памет 75 MB

Необходим HDD Да

Необходим етерминал

Не


Трите задачи се изпълняват последователно Мултипрограмиране


Мултипрограмни резултати с по-ефективно използване на ресурсите

Едно-програмно

Мулти-програмно

Използване на процесора 20% 40%

Използване на паметта 33% 67%

Използване на диска 33% 67%

Използване на принтера 33% 67%

Действителна продължителност 30 min 15 min

Производителност 6 задачи/час

12 задачи/час

Средно време за реакция 18 min 10 min


Последователна, пакетна имултипрограмна обработка

Последователна Пакетна Мултипрограмна


Еволюция на използванетона процесора

а) последователна обработка

б) пакетна еднопрограмна обработка

б’) пакетна еднопрограмна обработка с показване на действителното използване на процесора и изчакванетона входно/изходните устройства

Намеса на операторите

Операторът монтира устроствотоОператорът демонтира устроствотоСпулингв) мултипрограмиране


Мултипрограмната OС е доста по-сложнав сравнение с еднопрограмната OС

Необходимо е да се управлявапаметта: ОС трябва даразпределя паметта междуразлични задачиНеобходимо е планиране наизползването на процесора: ОСтрябва да избира между различнизадачи готови за изпълнение


Мултипрограмната ОС също така разчитана входно/изходни хардуерни особености

Входно/изходни прекъсвания: Асинхронни прекъсвания отвходно/изходно устройство приизпълнениеДиректен достъп до паметтаDirect Memory Access (DMA)


ОбобщениеТри входно/изходни техники

Програмен вход/изход ("Очакване)": процесорът е блокиран и същият трябва да чакадокато устройството приключи входно/изходнатаоперацияУправляемо входно/изходно прекъсване: процесорът може да се превключва на другизадачи и (често) е прекъсван от входно/изходнотоустройствоДиректен достъп до паметта (DMA): процесорът се включва само в началото и в краяна цялото предаване; той предава управлениетона независим входно/изходен контролер, койтореализира директния достъп до паметта направобез да участието на процесора

Необходимисаза

мултипрограмирането


Трети период (1965-1980)Спулинг (spooling)

Заданието се прочита от перфокарти и сезаписва на диск (или лента) веднага следпристигането им в машинната залаКогато поредното задание завърши, новотозадание се зарежда в паметта на освободениядялСъщото се прави и в обратна посока, т.е. изходът се записва на диск (или лента) преди дасе отпечатаПолезност: не се губи процесорно време прикомуникация с бавните периферни устройства


Пакетното мултпрограмиране неудовлетворява напълно потребностите

Няма гаранция, че програмата щебъде стартирана своевременноПотребителите имаха необходимостда управляват по-отблизоизпълнението на техните задания


Необходимост отмногопотребителска система

Всеки потребител иска да вижда какнеговата програма работи и да бъдеединствената, която се изпълнявана вкомпютъраНо без да се връща към записването всписъци за еднопотребителска работаТова предопределя появата навремеделението или неизместващитемногозадачни операционни системи


В оригиналнитемултипрограмни системи

Задачите продължаваха да работятдокато изчакваха външнотодействие да приключи (напримервходно/изходни операции)Мултипрограмният режим беразработен за да увеличиизползването на процесора


Системис разделяне на времето

Изпълняваните задачи се редуват в използването напроцесора. През определено време, всякаизпълнявана задача се прекъсва от хардуерниятаймерЧрез разделяне на времето потребителите добиватпредстава, че различните програми се изпълняватедновременноРазделянето на времето е логично продължаване намултипрограмирането за създаване на многозадачнадиалогова работа на много потребителиПрез 60-те години на XX-ти век се ражда Unix: CTSS → MULTICS → UNIX


Четвърти период (след 1980)

Следващия период в еволюцията наоперационните системи е свързан с появатана големи интегрални схеми (ГИС) Компютърът става достъпен за отделниячовекНастъпва ерата на персоналнитекомпютриКомпютрите започват широко да сеизползват от неспециалисти


От много потребители назад къмедин потребител

Многозадачните машини през 60-тегодини на 20-ти век заменихаголемите и скъпи мейнфреймникомпютриЕднопотребителските диалоговиизчисления станаха възможни наперсоналните компютри


Операционните системи наперсоналните компютри са

многозадачни

Еднозадачна работа на персоналниякомпютър е скучно и изнервящоМногозадачната ОС прави възможноединствен потребител да изпълнявамного задчи едновременно (във"фонов" режим) като в същот времесъхранява контрола върхукомпютъра


Някои системните характеристикина мейнфреймните компютри

са интегрирани в персоналните компютри

В многопотребителските системи, защитата на файловете беше критичнаЗа единствения потребител наперсоналния компютър това не еособено важноС включването на персоналнитекомпютри в мрежова среда въпросът зазащитата на файловете се появи отново


Персонални компютри - удобство запотребителите

Първичната цел от мейнфреймнитемултипрограмни системите е даувеличат използването напроцесораВ системите с времеделение първатацел е да се увеличи удобствотопотребителите


Онтогенеза на компютрите иоперационните системи


ОС за персонални компютри


Класификация наоперационните системи

особеностите на реализацията навътрешните алгоритми зауправление на основните ресурсина компютъраособеностите на използванитеметоди за проектиранетиповете хардуерни платформии др.


Според алгоритмите зауправление на процесора

Многозадачни и еднозадачниМногопотребителски иеднопотребителскиПоддържащи многонишковаобработка и неподдържащиМногопроцесорни иеднопроцесорни


Според особеностите на алгорит-мите за управление на ресурси

Изместваща и неизместващамногозадачност:неизместваща многозадачностNet- Ware, Windows 3.xизместваща многозадачностUNIX, Linux, Windows NT/2000/XP, OS/2

Поддържане на много нишкиМногопроцесорна обработка


Брой задачи

Еднозадачни Многозадачни

Еднопотре-бителски

MS-DOSMSXCP/M

Windows 95/98Windows 3.xРанните версии наOS/2

Многопотре-бителски

UNIXLinuxWindowsNT/2000/2003/VistaOS/2VAX, MVS, VM

Бройпотре-би-тели

ОС според броя на задачите иброя на потребителите


Организация на изчислителния процес вмногопроцесорната архитектура

Асиметрични ОСизцяло се изпълнява само на един отпроцесорите на системата

Симетрични ОСнапълно е децентрализирана


Подсистеми за управление налокалните ресурси

за управление на паметтаза управление на файловетеза управление на входно-изходните устройства


Според начина за реализиранена мрежовите функции

Разпознаване и пренасочване вмрежата на заявките къмотдалечените ресурсиПредаване на съобщения по мрежатаИзпълнение на отделни заявки


Според особеностите нахардуерните платформи

Операционни системи за:персонални компютриминикомпютримейнфреймиклъстъримрежи от компютри

Сред изброените типове компютри могат да сесрещнат както еднопроцесорни така имногопроцесорни. Спецификата на хардуерасе отразява на спецификата на ОС.


Мейнфреймни системиМейнфреймът има централна архитектура

Единият голям компютър е свързан с много терминали, безпроцесор


Характеристики отмейнфреймните системи

Първите компютри използвахаразлични приложения и днес все ощесе срещат в някои корпоративнитецентровеЗаемат цяла стая, имат голямвходно/изходен капацитет, надеждност, сигурностИзползват се за диалогови бизнесинформационни приложения


Мейнфреймните системи осигуряваттри основни функции

Пакетна обработка: Застрахователни полициОтчети за продажби и т.н.

Обработка на транзакции:Кредитни картиБанкови сметки и т.н.

Времеделение (Сесии): Много потребители изпращатзапитвания към база данни


Десктоп и лаптоп компютри

IBM PC XT (1981) Apple Macintosh (1984) Dell Dimension XPS (2005)

Dell Latitude D410 (2005)


Мини-компютри

PDP-8 бе първияткомпютър закупен от дребникрайни потребители кактоалтернатива на големитеизчислителни машини.

12-битова система.

Ниска цена ипортативност.

Запълваха специфичнапотребност.

PDP-8 е първиятминикомпютър.


Лицев панел на PDP-8


PDP-8


Клъстъри

Клъстър е слабо свързана съвкупност отняколко компютърни системи, работещисъвместно за изпълнение на общиприложения, представящи се напотребителите като единна система. Една от първите разработки в областтана клъстърните технологии е решениетона Digital Equipment и Microsoft иматдоговор за развитие на клъстърнатехнология.



Многозадачни ОС

Системи за пакетна обработка(OS/360)Системи с разделяне на времето(UNIX, VMS)Система за реално време (QNX, RT/11)


Системи за пакетна обработка

Използват се за решаване назадачи с изчислителен характер, които не изискват бързополучаване на резултат.


Системите за реално време

Използват се за управление наразлични технически обекти: струговеспътници и т.н.

Ограничаващото условие едопустимото за реакция насистематаВ противен случай може да сепредизвика авария


Следвапродължение

☺

Documents

1. УВОД ВОПЕРАЦИОННИТЕСИСТЕМИ - podai.mepodai.me/wp-content/uploads/OS_1.pdf · системи. Лекция1 Операционнисистеми 2