Шпаргалка по "Операционные системы и среды "

Операционные  системы и среды 

Вопрос 1. Определение ОС.

Современная компьютерная система является сложной  комплексной системой, состоящей  одного или нескольких процессоров, ОП, дисковод и т.д. ЭВМ оснащается спец уровнем ПО, называемым ОС.

ОС - это комп. программа (или комплекс программ) обеспечивающая среду для выполнения других программ и дающая им доступ к возможностям процессора, периферийных устройств и т.д. ОС предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все сложности обработки и выдачи инф-ции, избавляет от необходимости общения с аппаратурой напрямую.

Под ОС подразумевается  то ПО, которое запускается в режиме ядра (или в режиме супервизора). ОС выполняет две основные функции: расширение возможностей машины и управления ее ресурсами. Работа ОС заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессорного времени, памяти, УВВ и т.д. между различными программами.

Вопрос 2. История развития ОС.

 Первым  цифровым компьютером была машина  Ч. Бейбеджа.(1792-1871).

Первое поколение(1945-1955): электронные лампы и коммутационные панели; механические ролле; довольно медлительные и громоздкие машины, команды писались на машинном языке, для ввода/вывода информации использовались перфокарты. Второе поколение(1955-1965): транзисторы и система пакетной обработки; появились ЯП Ассемблер, Фортран; машины назывались мейнфреймами; так же использовались перфокарты; ОС того времени были FMS и IBS. Третье поколение(1960-1980):использование мелкомасштабных интегральных схем; многозадачность и совместимость ЭВМ. Появление сложных ОС. Технология подкачки данных (загрузка перфокарт в последовательности приноса их в машинный зал). Появление Unix, Munix, Lunix. Четвертое поколение (с 1980 –х)Появление БИС; ПК и микро-ЭВМ; Появление графического интерфейса; соперничество Windows и Unix; развитие сетей.

Вопрос 3. Назначение, состав и функции ОС.

Функции ОС:

1. Планирование заданий и использование процессора.
2. Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.
3. Управление памятью.
4. Управление файловой системой.
5. Управление безопасностью.

Каждая из перечисленных  функций обычно реализуется в  виде подсистемы и является структурным  компонентом ОС.  
 

Вопрос 4. Архитектурные особенности  ОС. 

1. Монолитное  ядро- такая структурная ОС, при  которой компоненты ОС являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы (как обычная программа, состоящая  из процедур и функций). Монолитное ядро- набор процедур и функций, каждая из которых может вызывать каждую; все процедуры работают в привилегированном  режиме. Для монолитной ОС ядро совпадает  со всей системой. Перекомпиляция- единственный способ добавить новые компоненты или  исключить неиспользованные. Примером таких ОС является Unix.
2. Многоуровневая система.

Вся система разбивается  на ряд более мелких уровней, с  хорошо определенными связями, так, чтобы объект уровня n мог вызвать объект уровня n-1. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль на этом уровне.  Такие системы хорошо реализуются, тестируются, модифицируются не затрагивая неиспользуемые слои. Недостатки такой системы в сложности ее разработки и в ее более меньшей эффективности, чем у монолитной.

3. Виртуальные машины.

 Такой подход  позволяет каждому пользователю  загрузить свою ОС на виртуальную  машину. Недостатком является сниженная  эффективность, громоздкость. Преимущества- использования на одной ВС  программ, написанных для разных  ОС.

4. Микроядерная архитектура. Представляет собой перенос значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимилизации ядра. Большинство составляющих ОС являются самостоятельными программами. Взаимодействие между ними обеспечивает спец. модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами планирования использования процессора, первичную обработку прерываний, операций ввода- вывода, базовое управление памятью и т.д. Основные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщения через микроядро. Достоинства этой ОС: высокая степень модульности (т.е. упрощение добавления новых компонентов; в ней можно не прерывая работы загружать и выгружать новые драйвера, файловые системы и т.д.), упрощенный процесс отладки ядра и т.д. Компоненты ядра ОС ничем не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно использовать обычные средства. Микропроцессорная архитектура повышает надежность системы (ошибка в модуле исправляется на уровне модуля). Недостатком является дополнительные расходы, и аккуратность программирования.
5. Смешанная система. Использует все комбинации вышеперечисленных архитектур. Например Lunix- монолитная система с элементами микроядерной архитектуры. Windows- микроядерная архитектура с элементами монолитного ядра.

 
 

Вопрос 5. Характеристики ОС. 

1. Переносимость. Означает возможность использования  одной ОС на машинах разной архитектуры, при минимальном изменении исходного  текста.
2. Расширяемость . Код ОС должен быть написан так, что бы его удобно было дополнять и модифицировать при изменении требований к системе. Одним из способов повышения расширяемости ОС является ее модульное построение.
3. Мультипроцессорная обработка. Позволяет повысить производительность, распределяя работу между несколькими процессорами.
4. Распределение вычислений. В  результате появления современных ЭВМ улучшилась работа в сети, что позволило распределить работу между несколькими вычислительными системами.
5. Надежность и устойчивость. Система должна защищать себя как от внутренних сбоев, так и от внешнего вторжения. Она должна вести себя предсказуемо и у приложений не должно быть возможностей повредить ОС или нарушить ее функционирование.
6. Совместимость. Несмотря на то, что версии новых ОС призваны расширить существующие технологии, они должны быть совместимы с предыдущими версиями ОС.
7. Производительность. Система должна отвечать различным целям пользователей, должна быть максимально быстра и обеспечивать минимальное время отклика.

 
 

Вопрос 6.  Классификация ОС.  

По назначению: общего назначения и специальные.

По кол-ву одновременно работающих программ: однозадачные и многозадачные.  

По кол-ву пользователей: однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x) и многопользовательские.

Многопроцессорные: симметричные- на каждом процессоре функционирует одно и тоже ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре. При этом каждому из процессоров доступна вся память;

Ассиметричные - процессоры не равноправными; обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузки и характер работы которых определяет главный процессор.

Системы реального  времени: используется для управления техническими объектами или технологическими процессами. Они характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешние событие, в течении которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. В системах реального времени может отсутствовать виртуальная память, которая дает непредсказуемые задержки выполнения программ. 

Вопрос 7. Разновидности ОС. 

1.ОС мейнфреймов. Это ЭВМ больших размеров, например веб- серверы. ОС для мейнфреймов ориентированы на обработку множества одновременных заданий; они обслуживают пакетную обработку, обработку групповых операций и разделение времени.

2. Серверные ОС (очень большие ЭВМ, рабочие станции, мейнфреймы). Работают на серверах. Они одновременно обслуживают несколько пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы.

3. Многопроцессорные  ОС. Для увеличения мощности ПК  соединят несколько ЦП в одной  системе, в зависимости от вида  соединения и разделения работы. Для них требуются специальные  ОС.

4. ОС для ПК. Их функция заключается в предоставлении удобного интерфейса, поддержки приложений и форматов для пользователя.

5. ОС реального  времени. Бывают жесткие (все  по плану) и гибкие ( аудио, видео  и т.д.)

6. Встроенные ОС. Имеют особый размер, память и  ограниченную мощность ( бытовая  техника, мобильные телефоны, и  т.д.).  

Вопрос 8. Организация вычислительного  процесса. 

Процессы- это ключевое понятие ОС. Процессом называют программу в момент выполнения. С каждым процессом связанно адресное пространство- список адресов от некоторого минимума до максимума, которое процессор может прочесть или в которую может писать. Адресное пространство содержит саму программу, данные о ней и т.д. С любым процессом связан набор регистром, включая счетчик команд, указание стека и другие аппаратные регистры, всю инф-цию, необходимую для запуска команд. Во многих ОС вся инф-ция о каждом процессе хранится в таблице ОС, которая называется таблицей процессов и представляет собой массив (или связный список) структур, по оной на каждый существующий в данный момент процесс. Эти элементы называются блоком управления процессом. Главными системными вызовами, управляющими процессами являются вызовы, связанные с созданием и окончанием процесса. Процесс может создавать несколько процессов, называемых дочерними, а онив свою очередь так же могут создавать дочерние, т.е. возникает древо процессов. Связанные процессы- это процессы, объединенные для выполнения некоторых задач или синхронизации передаваемых между ними данных.   Такая связь называется межпроцессорным взаимодействием. Другие системные вызовы предназначаются для выполнения запросов предоставления дополнительной памяти или освобождении использовавшейся, ожидания завершения процессов, наложение одной программы на другую и т.д. 

Процесс проходит несколько  состояний:«Рождение» - «Готовность- «Исполнение»- « Закончил исполнение».

Операции  над процессами. Изменением состояния процесса занимается ОС, совершая операции над ними: создание процесса, приостановка, запуск, блокировка, разблокировка, изменение приоритета и т.д.

Каждый процесс  представляется в ОС как некоторая  структура данных, которая содержит инф-цию, специфичную для этого процесса: 

- состояние, в  котором находится процесс; 

- адрес команды,  которая должна быть выполнена  (программный счетчик);

- содержание регистров;

- данные, необходимые  для планирования использования  процессора и управление памятью  (приоритет, размер адресного  пространства и т.д.);

- учетные данные (идентификационный номер процесса, какой пользователь инициировал  его работу, общее время использования  процессора и т.д.)

- сведенья об устройствах  ввода/вывода (какие устройства закреплены  за процессом, таблица открытых  файлов и т.д.).

Информация, характеризующая  процесс, храниться в связанных  структурах данных, доступных ОС, и  называется блоком управления процесса (PCB). Блок управления процессом подразделяется на регистровый контекст процесса- содержимое всех регистров процесса, значение процесса; на пользовательский контекст, когда код и данные находятся в адресном пространстве процесса; и на сигнальный контекст процесса.

Часть ОС, отвечающая за управление процессом, называется планировщиком  процессов. Вопрос планирования процессов- одно из важнейших аспектов при проектировании ОС. Было разработано множество алгоритмом, с целью сбалансировать требования эффективности в целом, и для  каждого процесса в отдельности. Существует два основных вида планирования: Невытесняющее, когда планируются  только вынужденные события; и вытесняющие, когда процесс может быть вытеснен из состояния исполнения другим процессом. Для реализации моделей процессов ОС содержит таблицу процессов, представляющую собой массив ( или связной список)  структур, по одной на каждый существующий в данный момент структур.

Вопрос 9. Потоки.

Потоки.  Процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд или просто поток. У потока есть счетчик команд, регистры и т.д. Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения  в одной и той же среде процесса несколько программ, достаточно независимых. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно по одной ЭВМ. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, их часто называют упрощенными процессами.