Эволюция, история развития, назначение и функции ОС.

 

История развития операционных систем тесно связана с историей развития ЭВМ. Появление первого компьютера связано с именем английского ученого - математика Чарльзом Беббиджем. Им в середине девятнадцатого века была предложена механическая «аналитическая машина», в которую ученый сумел заложить основные принципы построения вычислительных машин. Технология того времени сильно отставала от идей Чарльза Беббиджа и полностью реализовать свою вычислительную машину ученый не сумел.

По мере развития элементной базы появилась возможность строить ЭВМ на электромеханических элементах. В 1941 году немецкий ученый Конрад Цузе построил вычислительную машину, 1 бит информации в которой, моделировался с помощью электромеханического реле. Этим же ученым для работы вычислительной машины предложена двоичная система счисления. Можно сказать, что основные идеи построения вычислительных машин были заложены в Европе.

Формально рождение цифровых электронных вычислительных машин произошло в конце сороковых годов двадцатого века в США. Группа инженеров под руководством ученого – математика Джона фон Неймана сумела построить электронную вычислительную машину на новой для того времени элементной базе – электронных лампах. Чуть позже русским ученым Лебедевым С. А. совершенно независимо от американцев была создана первая в России и в Европе вычислительная машина также на электронных лампах.

Первые инженеры и математики, работающие на ламповых ЭВМ, составляли программы решения задач на так называемом машинном языке. Вычислительная машина может непосредственно выполнять инструкции (команды) представленные в двоичном коде, поэтому программирование осуществлялось только на машинном языке. В то время не существовало никакого системного программного обеспечения. Программирование на чисто машинном языке утомительно и чревато ошибками, поэтому первоначально с ЭВМ работали только ученые и инженеры, а ЭВМ представляла собой чисто научный интерес.

В дальнейшем, впервые годы развития вычислительной техники взаимодействие с ЭВМ на электронных лампах происходило примерно следующим образом. На машинном языке составляли текст программы решения некоторой задачи. Затем текст этой программы оператор набирал на специальных устройствах и переносил на соответствующие носители. В качестве носителей информации использовались перфокарты и перфоленты. Далее оператор загружал в оперативную память компьютера двоичный код программы и двоичные коды системных подпрограмм, реализующих управление операциями ввода-вывода. После этого готовая программа, расположенная в памяти, могла сама считать исходные данные и осуществлять необходимые вычисления.

Появившиеся позже алгоритмические языки (язык Ассемблера и языки высокого уровня) позволили автоматизировать труд программиста. Для автоматизации труда оператора была разработана специальная управляющая программа. Будучи загруженная в оперативную память один раз, она позволяла неоднократно вводить новые программы для выполнения и «подкачивать» для них исходные данные. Эту управляющую программу стали называть операционной системой. Со временем на нее стали возлагать все больше и больше задач, она росла в объеме. В 60-е годы двадцатого века операционные системы уже позволяли организовать параллельное выполнение нескольких программ, т. е. была реализована идея мультизадачности, позволившая более эффективно распределять ресурсы и повысить производительность. В 70-е годы двадцатого века диалоговый режим работы с компьютером стал преобладающим за счет развития интерфейсных возможностей операционных систем.

 Только наличие специальной поддерживающей программной системы делает ЭВМ доступной для других пользователей (не специалистов в области вычислительной техники и программирования). Упомянутую программную систему (семейство системных программ) можно назвать операционной системой. Вычислительную машину, снабженную операционной системой можно назвать вычислительной системой.

Под операционной системой можно понимать комплекс программ, функции которых определяют вычислительную систему с точки зрения пользователя. Работая на вычислительной машине с установленной на ней операционной системой, пользователь непосредственно не обращается к машинным операциям. Он дает запросы (задания), которые отрабатывает операционная система и реализует интерфейс с пользователем. Можно выделить два основных интерфейса, реализуемые операционной системой – интерфейс с пользователем и машинный интерфейс. При этом можно сказать, что операционная система выполняет функцию моста между двумя интерфейсами – пользователя и аппаратуры. Характеристики аппаратуры и требования интерфейса с пользователем определяют внутреннюю структуру операционной системы.

При изучении операционных систем, а в этом курсе лекций изучаются их принципы построения, выделяют назначение и функции операционных систем. Исходя из выше сказанного, можно сказать, что одним из основных назначений операционных систем является возможность приблизить рядового пользователя к решению задач на электронной вычислительной машине. Для решения собственных прикладных задач пользователю (ученому – специалисту в другой области знаний) нет необходимости изучать системное программирование и вычислительную технику. При отсутствии операционной системы пользователю пришлось бы помимо решения своей функциональной задачи организовывать ввод – вывод информации, осуществлять реакции на различные события и исключительные ситуации.

Говоря о назначении операционной системы вторым пунктом можно выделить повышение производительности вычислительной системы. Наряду с развитием элементной базы, оказывающей влияние на производительность вычислительной системы, огромный вклад в повышение производительности вносит операционная система. На определенном этапе развития вычислительной техники время работы центрального процессора значительно стало опережать время работы внешних устройств. Создалась ситуация, когда процессор ожидал многие такты своей работы окончания ввода – вывода новых данных для обработки. Идея мультипрограммирования, реализованная в операционных системах, значительно повысила производительность вычислительной системы. Благодаря нахождению в оперативной памяти одновременно нескольких программ операционная система отбирала процессорное время у задач, ожидающих какого-либо события (например, ввода-вывода новых данных для обработки) и передавала время центрального процессора готовым к счету программам. При такой идеологии время простоя процессора значительно снижается, т. е. повышается производительность.

Перейдем к обсуждению функций операционной системы. Для начала выделим следующие основные функции.

Управление ресурсами.

 Под ресурсами понимают объекты вычислительной системы, за которые соревнуются работающие программы (задачи или процессы). Ресурсов, как правило, недостаточно и операционная система выделяет ресурсы процессам. К ресурсам относят время центрального процессора, оперативную память, местную память (внутренние регистры процессора), внешние устройства и так далее. Операционная система отвечает за выделение ресурсов, которое часто выполняется динамически по запросу, за разрешение конфликтов, возникающих при осуществлении доступа к ресурсам и за реагирование на связанные с ресурсами события. Каждый ресурс моделируется как объект, при этом ресурсами одного типа должен управлять отдельный менеджер.

Предоставление сервисов клиентам.

Клиентами могут быть не только пользователи, но и приложения и системные утилиты. Программирование аппаратного обеспечения достаточно трудная задача, возможны ошибки пользователей, связанные с бесконтрольным доступом к ресурсам. Защиту системы и пользователей от ошибок обеспечивает операционная система, отвечающая за взаимодействие с аппаратной частью и, предоставляя интерфейс, который в однопользовательской системе упрощает работу приложений, а в многопользовательской, кроме того, дает возможность пользователям не мешать друг другу. Такой интерфейс определяет так называемую виртуальную машину. Виртуальной машиной можно назвать набор виртуальных аппаратных ресурсов, с которыми легче работать, чем с реальными ресурсами. Доступ к ресурсам в обход интерфейса запрещен. Специальные механизмы защиты позволяют предотвратить такой доступ. Таким механизмом является существование в большинстве вычислительных систем двух режимов работы – привилегированный режим (режим супервизора), в котором работает операционная система, осуществляющая доступ к реальным ресурсам и пользовательский режим, при котором доступ к реальным ресурсам запрещен.

Управление памятью.

 При загрузке выполняющихся программ (процессов) операционная система выделяет для них память. Кроме того, дополнительно выделяет по требованию приложений пространство для данных из динамической области. В вычислительной системе с более чем одним процессом подсистема управления памятью имеет параллельную организацию, т. е. должна одновременно обрабатывать несколько запросов.

Продолжая перечислять функции операционной системы, дополнительно выделим следующие.

- Прием от пользователей и обработка команд, сформулированных на соответствующем языке. Эти команды могут быть связаны с запуском / остановкой программ, с операциями над файлами и другие.

- Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ (процессов).

- Организация виртуальной памяти.

- Запуск программ на исполнение.

-Организация параллельного выполнения нескольких программ (обеспечение режима мультипрограммирования).

- Планирование и диспетчеризация задач.

- Организация механизма обмена сообщениями между выполняющимися программами.

- Защита приложений друг от друга и защита самой операционной системы от разрушающих воздействий некорректно работающих приложений.

- Обеспечение работы систем управлениями файлами.

- Аутентификация и авторизация пользователей.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: