Обзор компьютерных систем

Структурные принципы

Современные компьютерные системы построены по трём принципам Джона фон Неймана:

программное управление
однородность памяти
адресность

Основные структурные элементы компьютера

Центральный процессор

извлекает программу из памяти
декодирует
исполняет машинные команды

Псевдопараллелизм

В каждый момент времени процессор может испонять только одну программу.
Так как число процессоров конечно, необходимы алгоритмы, позволяющие чередовать исполнения процессов.

Псевдопараллелизм

Память

Параметры конфигурации памяти

объём
быстродействие
стоимость

Иерархия видов памяти

регистровая память хранит операнды команд
кэш используется для хранения самых используемых участков памяти
основная память хранит исполняющиеся программы
внешняя память сохраняет данные и программы между запусками

Иерархия видов памяти

Управление вводом-выводом

Взаимодействие с устройствами ввода-вывода

программируемый ввод-вывод
ввод-вывод с помощью прерываний
прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA)

Назначение операционной системы

Операционная система

Комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны и аппаратурой компьютера с другой стороны.

Операционная система

Операционная система как виртуальная машина

Уровни вычислительной системы

программное и аппаратное обеспечение можно выстроить в виде иерархии
каждый уровень представляет собой виртуальную машину
интерфейсы виртуальной машины скрывают детали нижележащего уровня

Уровни вычислительной системы

Операционная система как менеджер ресурсов

Ресурсы компьютера

процессорное время
основная память
внешние устройства
таймеры
некоторые процедуры операционной системы

Управление ресурсами

Ресурсы распределяются между процессами

Критерии эффективности

пропускная способность — число задач, выполненных за единицу времени
время реакции — время, прошедшее с момента ввода команды до получения отклика системы

Архитектура операционной системы

Функции операционной системы

управление процессами
управление памятью
управление файлами и внешними устройствами
защита данных и администрирование
интерфейс прикладного программирования
пользовательский интерфейс

Структура операционной системы

ядро — модули, выполняющие основные функции операционной системы
компоненты, реализующие дополнительные функции операционной системы (служебные программы, или утилиты)

Монолитная операционная система

Монолитное ядро

компонуется как одна программа
работает в привилегированном режиме
использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую
не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот

Переход из пользовательского режима в режим ядра осуществляется через системные вызовы — интерфейс ядра операционной системы

Структура монолитного ядра операционной системы

Микроядерная операционная система

Микроядро

работает в привилегированном режиме
выполняет только минимум функций по управлению аппаратурой
высокоуровневые функции операционной системы выполняются специализированными компонентами — серверами, работающими в пользовательском режиме
управление и обмен данными при этом осуществляется через передачу сообщений

Микроядро

История UNIX

Классификация операционных систем по назначению

Системы реального времени

сторого регламентированное время отклика на внешние события
одновременная обработка — даже если одновременно происходит несколько событий, реакция системы на них не должна запаздывать

Системы жёсткого реального времени

недопустимость никаких задержек ни при каких условиях
бесполезность результатов при опоздании
катастрофа при задержке реакции
цена опоздания бесконечно велика

Система мягкого реального времени

за опоздание результатов приходится платить
снижение производительности системы, вызванное запаздыванием реакций, приемлемо

Встраиваемые системы

работают на специфическом аппаратном обеспечении
обладают некоторыми требованиями к времени отклика системы
минимизируют потребляемые ресурсы

Операционные системы для супер-компьютеров

особенно важны вопросы производительности и скорости обмена между элементами системы
самыми распространёнными среди сверхпроизводительных систем являются модификации операционной системы Linux

Операционные системы для серверов

важна стабильность работы
важна безопасность
важна производительность
не важен интерфейс пользователя

Операционные системы для домашних и офисных компьютеров

важен удобный пользовательский интерфейс
важна поддержка широкого круга устройств для персональных компьютеров

Исследовательские операционные системы

GNU Hurd
L4

Резюме

Операционные системы существуют в рамках информационно-вычислительных систем
Компьютеры построены в соответствии с принципами фон Неймана: центральный процессор, основная память и устройства ввода-вывода
Операционная система объединяет пользователей, программы и аппаратуру компьютера

Две основные функции операционной системы:
- предоставление виртуальной машины
- управление ресурсами компьютера
Операционная система состоит из модулей
Ядро — основа всей операционной системы

Два типа ядер
- монолитные
- микроядра

Выделяют операционные системы
- реального времени
- для встраиваемых систем
- для супер-компьютеров
- для серверов
- для домашних и офисных компьютеров
- исследовательские

Дополнительные материалы

Курячий Г. В. Операционная система UNIX. — М.: Интуит.Ру, 2004. — 292 с.: ил.
МакКузик М. К., Невилл-Нил Дж. В. FreeBSD: архитектура и реализация. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. — 800 с.
Олифер В. Г., Олифер Н. А. Сетевые операционные системы. — СПб.: Питер, 2005. — 539 с.: ил.

Рэймонд Э. С. Искусство программирования для UNIX. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. — 544 стр.: ил.
Вильям Столлингс Операционные системы, 4-е издание. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. — 848 с.: ил.

Вопросы для самоконтроля

Каково назначение операционной системы? Почему говорят об операционной системе как виртуальной машине? Какими ресурсами и как управляет операционная система?

Архитектура операционной системы: что такое ядро и прикладные программы? Чем отличаются монолитные и микроядерные системы?

Какие можно выделить классы операционных систем? В чём заключаются их отличия?