Обзор компьютерных систем

Структурные принципы

Современные компьютерные системы построены по трём принципам Джона фон Неймана:

1. программное управление

2. однородность памяти

3. адресность

Основные структурные элементы компьютера

Центральный процессор

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

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

Дополнительные материалы

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

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

Вопросы для самоконтроля

Вопросы для самоконтроля

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

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

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