Понятие, основные функции и составные части операционной системы

 

На прошлой лекции было дано общее определение операционной системы. Применительно к операционной системе Windows 2000/XP можно дать следующее определение.

Операционная система Windows 2000/XP – это многопользовательская, многозадачная, многопоточная ОС с развитой системой приоритетного прерывания, имеющая графический поль­зовательский интерфейс и расширенные сетевые возможности.

Отличительными чертами этой операционной системы являются:

- встроенная сетевая поддержка, обеспечивающая совместное сетевое использование файлов, устройств и объектов;

- приоритетная многозадачность, позволяющая приложениям с более высоким приоритетом вытес­нять менее приоритетные приложения, что приводит, в частности, к более эффективному использованию машинного времени ввиду автоматической ликвидации зависания системы при выполнении «сбойного» приложения;

- наличие достаточно мощных средств защиты программ и файлов различных пользователей от несанкционированного доступа. Наличие многоуровневого доступа к ресурсам с назначением пользователям различных прав;

- поддержка нескольких файловых систем. Кроме файловой системы DOS, поддерживаемой всеми версиями Windows (FAT 16/32), Windows 2000/XP поддерживает файловую систему Windows NT (NTFS) и файловую систему компакт-дисков (CDFS);

- поддержка широкого спектра компьютерных платформ, в том числе и многопроцессорных вычис­лительных систем.

Перечислим основные составные части операционной системы:

- BIOS – базовая система ввода вывода;

- загрузчик операционной системы;

- ядро операционной системы;

- внешние команды;

- драйверы;

- библиотеки;

- утилиты.

BIOS – это небольшая программа находящаяся в ПЗУ и проставляемая вместе с системной платой. Она позволяет обеспечить независимость программного обеспечения от специфики кон­кретной модели компьютеров, и выполняет следующие функции:

- тестирование аппаратной части при включении компьютера;

- инициализация векторов прерывания нижнего уровня;

- поиск на гибком или жестком диске программы-загрузчика операционной системы и за­грузка его с диска в оперативную память.

BIOS содержит специальные программы по управлению стандартными внешними устройст­вами, тестовые программы для контроля работоспособности аппаратуры, программу на­чальной загрузки операционной системы.

Ядро операционной системы состоит программ, которые расширяют базовую систему ввода вывода и управляют всеми ресурсами ЭВМ.

Windows 2000/XP - операционная система внутренняя структура ядра которой тесно свя­зана с особенностями процессоров, совместимых с Intel, поэтому при изучении Windows 2000/XP не по­мешает знание некоторых принципов функционирования процессоров Intel.

Процессоры, совместимые с Intel, поддерживают четыре уровня, или кольца, привилегиро­ванности, обеспечивающие различные степени защиты и привилегий для исполняемых программ. В каждый момент времени процессор может работать только на одном уровне привилегий.

Для выполнения кода системного уровня Windows 2000/XP использует нулевое кольцо за­щиты процессора. Программы, выполняемые в нулевом кольце, работают с аппаратурой напря­мую, и ни одно постороннее приложение не может помешать выполнению кода с «нулевым до­пуском». Сервисом нулевого уровня защиты процессора пользуются файловая система защищен­ного режима, диспетчер виртуальных машин и аппаратно-ориентированные драйверы, в том числе написанные независимыми разработчиками и производителями аппаратного обеспечения. По­этому, компоненты операционной системы, предназначенные для работы в нулевом кольце, должны быть тщательно проверены и отлажены, поскольку ошибка в таком драйвере может вызвать крах всей системы.

Прикладные программы и многие части операционной системы выполняются только в третьем кольце процессора. Соответственно, они не имеют таких прав, как у программ нулевого уровня, и не могут напрямую работать с устройствами компьютера, им приходится обращаться к драйверам устройств, выполняющимся в нулевом кольце. Зато они относительно безопасны для системы в целом.

Таким образом, в Windows 2000/XP реализована двухуровневая модель защиты, которую многие называют моделью «ядро-пользователь», а некоторые моделью «клиент-сервер». Опти­мальное распределение всех выполняемых программ на системные с высоким уровнем приоритета и прикладные с низким уровнем привилегий обеспечивает достаточно высокую степень защиты без заметного ущерба для общей производительности системы. Именно поэтому Microsoft отказа­лась от использования первого и второго колец защиты в своих операционных системах, во вся­ком случае – пока.

Windows 2000/XP – многозадачная и многопоточная система. Это значит, что в операцион­ной системе может «одновременно» выполняться несколько процессов, причем в пределах одного процесса могут параллельно существовать несколько более простых процессов, или так называе­мых потоков.

Существует два режима многозадачности:

1. Кооперативная многозадачность.

2. Вытесняющая многозадачность.

При кооперативной многозадачности каждое приложение (программа) получает фактиче­ски столько процессорного времени, сколько оно считает нужным. Все приложения делят процес­сорное время, периодически опрашивая друг друга. Поэтому хорошо заметно, когда одна про­грамма «тормозит» другую, а при длительных операциях с диском замирает практически вся про­чая деятельность. Такой режим использовался, например, в операционных системах Windows 3x, а также в Windows 9x при работе с 16-ти разрядными приложениями.

Необходимость использования в Windows 9x режима кооперативной многозадачности была связана с проблемой обеспечения совместимости ОС с программами, написанными ранее, однако, начиная с Windows 95, реализован и принципиально другой вид многозадачности, в котором опе­рационная система действительно контролирует и управляет процессами, потоками и их переклю­чением. Этот вид многозадачности получил название вытесняющая многозадачность.

Реализация ее выглядит так: все существующие в данный момент потоки, часть из которых может принадлежать одному и тому же процессу, претендуют на процессорное время и, с точки зрения пользователя должны выполняться одновременно. Для создания этой иллюзии система че­рез определенные промежутки времени забирает управление, анализирует свою очередь сообще­ний, распределяет сообщения по другим очередям в пространстве процессов и, если считает нуж­ным, переключает потоки.

Переключением потоков занимаются планировщики приоритетов, которые вычисляют приоритеты (возможные значения – от 0 до 31) и определяют количество процессорного времени, выделяемого каждому потоку. При этом планировщик приоритетов действует следующим обра­зом:

- повышается приоритет потоков, находящихся в ожидании пользовательского ввода (приоритет­ных приложений). Таким образом, система может более оперативно реагировать на действия пользователя;

- если поток обладает низшим приоритетом, он начинает повышаться;

- периодически повышается приоритет каждого потока, чтобы приложения с низким приорите­том не «зависали»;

- если приоритет потока наивысший, он начинает понижаться;

- если несколько потоков имеют одинаково высокие приоритеты, им устраивают «карусель», выде­ляя каждому по очереди одинаковое количество времени.

Реализация вытесняющей многозадачности в Windows 2000/XP дает не только возможность плавного переключения задач, но и устойчивость среды к зависаниям, так как ни одно приложение не может получить неограниченные права на процессорное время и другие ресурсы. Так система создает эффект одновременного выполнения нескольких приложений. Если компьютер имеет не­сколько процессоров, или процессор Pentium IV с включенной через BIOS технологией Hyper-Threading^* то системы Windows 2000/XP могут действительно совмещать выполнение нескольких приложений. Если процессор один, то совмещение остается иллюзией. Когда заканчи­вается квант времени, отведенный текущей программе, система ее прерывает, сохраняет контекст и отдает управление другой программе, которая ждет своей очереди. Величина кванта времени зависит от ОС и типа процессора, в Windows 2000 она в среднем равна 20 мс. Следует отметить, что добиться одновременного выполнения потоков можно только на машинах с операционными системами Windows 2000/XP и выше, ядра которых поддержи­вают распределение потоков между процессорами и процессорного времени между потоками на каждом процессоре. Windows 9x/ME работают только с одним процессором. Даже если у компью­тера несколько процессоров, под управлением Windows 9x/ME будет задействован лишь один из них, а остальные простаивают.

В третьем кольце защиты процессора Intel работают виртуальные машины Windows. При­кладные программы выполняются в виртуальных машинах, которые для них создают операцион­ная система и процессор. Виртуальная машина представляет собой среду, имитиру­ющую отдель­ный (виртуальный) компьютер со всеми его системными и периферийными устройствами. Про­цессор при этом решает задачу эмуляции отдельного процессора для каж­дой виртуальной ма­шины, а операционная система дополня­ет картину виртуальными устройствами. Благодаря сис­теме виртуальных машин разработчикам программного обеспече­ния не приходится беспокоиться о том, чтобы их программы отслеживали использование ресурсов компьютера другими програм­мами, поскольку память и наборы ресурсов каждой виртуальной машины изолированы от памяти и ресурсов дру­гих виртуальных машин.

В Windows 9x при загрузке всегда создается системная виртуальная машина, в пределах ко­торой выделяется отдельное адресное пространство для ядра системы. Каждому запущенному 32-разрядному приложению Windows 9x (их называют приложениями Win32) также выделяется от­дельное пространство адресов в преде­лах системной виртуальной машины. Для всех 16-разрядных приложений Windows (приложения Winl6) система Windows 9x использует общее адресное про­странство в пре­делах системной виртуальной машины. Каждое приложение DOS выполняется в собственной вир­туальной машине.

В Windows 2000/XP при загрузке также создается системная виртуальная машина. Однако в отличие от Windows 9x, в Windows 2000/XP все 32-разрядные приложения работают в своих вир­туальных машинах, а для приложений MS-DOS и Win16 (16-разрядные приложения Windows 3x) создается общая виртуальная DOS-машина (NTVDM) которая работает, как системный фоновый процесс и отделена от ядра системы. В Windows 2000/XP 16-разрядные про­граммы и программы MS-DOS работают как отдельные потоки в многопотоковом процессе NTVDM.

^{____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________}

^* Сущность технологии Hyper-Threading заключается в том, что один физический процессор представляется операционной системе как два логических процессора, и операционная система не видит разницы между одним процессором HT или двумя обычными процессорами. В обоих случаях операционная система направляет потоки как на двухпроцессорную систему. Далее все вопросы решаются на аппаратном уровне. В процессоре НТ каждый логический процессор имеет свой собственный набор регистров (включая и отдельный счетчик команд), а чтобы не усложнять технологию, в ней не реализуется одновременное выполнение инструкций выборки / декодирования в двух потоках. То есть такие инструкции выполняются поочередно. Параллельно выполняются лишь обычные команды.

 

Такая многозадачная архитектура Windows 2000/XP позволяет более быстро и более на­дежно выполнять 32-разрядные приложения, поскольку при выходе из приложения Win32 или приложения MS-DOS и Win16 (в том числе принудительном прекращении работы приложения) просто завершается работа соответствующей виртуальной машины, и все использовавшиеся ею системные ресурсы освобождаются.

Определение драйверов устройств было дано на предыдущей лекции. Драйверы отвечают за операции с аппаратным обеспечением. Они принимают команды от операционной системы и переводят их в конкретные инструкции, понятные соответствующим устройствам. Благодаря этому прикладные программы для Windows не зависят от различных устройств и пользуются сер­висом, который им предоставляет операционная система. Windows 2000/XP поддерживает три типа драйверов устройств - драйверы реального режима MS-DOS (SYS-файлы), 16-разрядные драй­веры для Windows 3.x (DRV-файлы) и вирту­альные 32-разрядные драйверы (например: VDD - виртуальный драйвер дисплея, VTD - виртуальный драйвер таймера, VPD - виртуальный драйвер принтера; их общее наименование - VxD).

Встроенные функции операционной системы Windows 2000/XP находятся в DLL - динами­чески загружаемых модулях (dynamic-link library). Модули DLL - это разделяемые биб­лиотеки процедур, к которым по мере необходимости обра­щаются исполняемые программы.

Основой кода Windows 2000/XP, выполняемого в основном, в нулевом кольце защиты про­цессора (в Windows 9x – выполнение производилось в третьем кольце защиты), являются следую­щие 32-разрядные DLL-модули:

1. Windows Manager - компонент, который управляет вводом и выводом на экран. Этот модуль имеет и другое имя - User. Он и располагается в библиотеке User32.dll.

2. Graphics Device Interface (GDI) - библиотека функций и структур, которые реализуют рисова­ние в контексте устройства. Контекст устройства - это логическая структура, не зависящая от физического устройства и позволяющая пользоваться максимальными возможностями и средствами для вывода графики. Вывод в конкретное физическое устройство производится с помощью драйвера устройства. Система при этом преобразовывает и, возможно, искажает ин­формацию с учетом ограничений, характерных для конкретного устройства. Поэтому реальная картина может отличаться от идеальной, созданной в контексте устройства.

3. Graphics Device Drivers (GDD) - аппаратно-зависимые драйверы, которые осуществляют связь с конкретными физическими устройствами ввода и вывода.

4. Console - компонент, который поддерживает текстовый режим вывода в окне.

5. Operating System Functions - функции, которые поддерживают все другие компоненты подсис­темы Win32.

Вывод по первому вопросу: основные достоинства персональной вычислительной ма­шины проявляются в диалоговом режиме. Организацию работы в таком режиме обеспечивает опе­рационная система. Современные операционные системы должны сочетать в себе такие качества, как высокое быстродействие, защищенность, надежность, а также приемлемые требования к аппа­ратному обеспечению. Наиболее полно все эти качества для операционных систем фирмы Micro­soft сочетаются в системах Windows 2000/XP.

Все программы и данные хранятся в виде файлов на дисках. За их хранение отвечает фай­ловая система, являющаяся частью любой операционной системы. Рассмотрению файловой сис­темы посвящен второй учебный вопрос данной лекции.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. D.3. Системы эконометрических уравнений
2. Gerund переводится на русский язык существительным, деепричастием, инфинитивом или целым предложением.
3. I. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
4. I.2. Основные интерпретации катарсиса.
5. I.Расчет подающих трубопроводов системы горячего водоснабжения при отсутствии циркуляции.
6. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных служащих
7. II. ЦЕЛИ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЗАДАЧИ ПРОФСОЮЗА
8. III. Полномочия и функции Комиссии
9. III. Разделение рабочего дня на части
10. III. Системы теплоснабжения и отопления
11. IV. Движение поездов при неисправности электрожезловой системы и порядок регулировки количества жезлов в жезловых аппаратах
12. IV. Основные способы и средства защиты населения в чрезвычайных ситуациях.