Лекция №1

Лекция 1. Введение. Предмет, цель, задачи, структура и особенности дисциплины. История ОС. (2-часа) 

Дисциплина ориентирует студента на грамотное использование передовой компьютерной аппаратуры, удобное и эффективное управление аппаратурой и решение задач средствами операционных систем, стимулируя освоение последних.

Знание особенностей эффективного использования аппаратно-программной среды ориентирует будущего специалиста на грамотное использование  передовых промышленных САПР электронной вычислительной аппаратуры и изделий микроэлектроники, а также на разработку более эффективного прикладного программного обеспечения САПР. Наличие такой базы повышает потенциал востребованности специалистов.

Изучение дисциплины «ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ» использует материал дисциплин: «Программирование на языке высокого уровня», «Информатика».

Предмет изучения - принципы построения, организация, основные функции, режимы работы и средства операционных систем (ОС), обеспечивающих функционирование современных и перспективных САПР или компьютерных вычислительных систем (ВС) различного назначения.

Цель изучения - получение знаний основ построения, функционирования и использования ОС и средств поддержки процессов решения задач на компьютере или в среде САПР. Стратегия изучения. Все рассуждения, положения и выводы лекционного курса следует рассматривать в контексте возможностей эффективной организации процессов решения задач на компьютере или в ВС различного назначения, управления процессами и ресурсами, устройствами, данными, организации процессов автоматизированного проектирования, управления проектировщиками в среде САПР.

Задачи изучения дисциплины В результате изучения дисциплины «ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ» студенты должны: ЗНАТЬ:

назначение, функции, виды, классификацию, принципы , построения и режимы функционирования ОС;

концептуальные основы ОС - ресурс, процесс, функциональные компоненты ОС; концепции прерывания и -виртуализации; дисциплины распределения ресурсов; средства взаимодействия пользователя с системой; требования, предъявляемые к современным ОС и тенденции их развития;

архитектуру ОС - ядро, многослойную структуру, особенности аппаратной зависимости и переносимости, архитектуры микроядра и совместимости ОС;

основы управления процессами и потоками - особенности и алгоритмы планирования и диспетчеризации, диспетчеризации прерываний; средства синхронизации;

основы управление памятью - особенности различных способов и алгоритмов ее распределения, свопинга и виртуальной памяти;

среду, свойства и возможности популярной ОС Windows ХР; УМЕТЬ:

квалифицированно работать на ПК в среде ОС Windows ХР;

эффективно организовать процессы вычислений и ввода-вывода при решении задач;

оптимально использовать ресурсы вычислительного комплекса;

История ОС

Первый настоящий цифровой компьютер был изобретен английским матема­тиком Чарльзом Бэббиджем (Charles Babbage, 1792-1871). Эта машина не имела операционной системы. После безуспешных усилий Бэббиджа прогресс в конструировании цифровых компьютеров практически не наблюдался вплоть до Второй мировой войны, ко­торая стимулировала взрывную активизацию работ над ними. Профессор Джон Атанасов John Atanasoff) и его аспирант Клиффорд Берри (Clifford Berry) созда­ли в Университете штата Айовы конструкцию, которая сейчас считается первым действующим цифровым компьютером. В ней использовалось 300 электронных ламп. В середине 50-х годов изобретение и применение транзисторов радикально изме­нило всю картину. Если учесть высокую стоимость оборудования, неудивительно, что люди до­вольно скоро занялись поиском способа повышения эффективности использо­вания машинного времени. Общепринятым решением стала система пакетной обработки. Первоначально замысел состоял в том, чтобы собрать полный поднос заданий (колод перфокарт) в комнате входных данных и затем переписать их на магнитную ленту, используя небольшой и (относительно) недорогой компьютер, например IBM 1401, который был очень хорош для считывания карт, копирования лент и печати выходных данных, но не подходил для числовых вычислений.

Другие, более дорогостоящие машины, такие как IBM 7094, использовались для настоящих вычислений. Этот процесс изображен на рис. 1.3.

  

Примерно после часа сбора пакета карты считывались на магнитную ленту, которую относили в машинный зал, где устанавливали на лентопротяжном устрой­стве. Затем оператор загружал специальную программу (прообраз сегодняшней операционной системы), которая считывала первое задание с ленты и запускала его. Выходные данные, вместо того чтобы идти на печать, записывались на вторую ленту. Завершив очередное задание, операционная система автоматически считы­вала с ленты следующее и начинала его обработку. После обработки всего пакета оператор снимал ленты с входной и выходной информацией, ставил новую ленту со следующим заданием, а готовые данные помещал на IBM 1401 для печати в авто­номном режиме (то есть без связи с главным компьютером).

Семейство компьютеров IBM/360 стало первой основной серией, использую­щей малые интегральные схемы, дававшие преимущество в цене и качестве по сравнению с машинами второго поколения, собранными на отдельных транзи­сторах.

Основное преимущество «единого семейства» оказалось одновременно и вели­чайшей его слабостью. По замыслу его создателей все программное обеспечение, включая операционную систему OS/360, должно было одинаково хорошо работать на всех моделях компьютеров: и в небольших системах, которые часто заменяли ма­шины IBM 1401 и применялись для копирования перфокарт на магнитные ленты, и на огромных системах, заменявших машины IBM 7094 и использовавшихся для расчета прогноза погоды и других сложных вычислений. Операционная система должна была хорошо работать как на машинах с небольшим количеством внешних устройств, так и на системах, применяющих эти устройства в большом количестве. Она должна была работать как в коммерческих, так и в научных областях. Более того, она должна была работать эффективно во всех этих различных сферах при­менения.

Но ни IBM, ни кому-либо еще так и не удалось создать программное обеспе­чение, удовлетворяющее всем этим противоречивым требованиям. В результате появилась громоздкая и чрезвычайно сложная операционная система, примерно на два или три порядка превышающая по объему FMS. Она состояла из миллионов строк, написанных на ассемблере тысячами программистов, содержала тысячи и тысячи ошибок, что повлекло за собой непрерывный поток новых версий, в кото­рых предпринимались попытки исправления этих ошибок. В каждой новой версии устранялась только часть ошибок, вместо них появлялись новые, так что общее их количество, скорее всего, оставалось постоянным.

Кен Томпсон (Ken Thompson), один из ведущих специалистов Bell Labs, рабо­тавший над проектом MULTICS, чуть позже нашел мини-компьютер PDP-7, кото­рым никто не пользовался, и решил написать упрощенную однопользовательскую версию системы MULTICS. Эта работа позже переросла в операционную систему UNIX®, ставшую популярной в академических кругах, в правительственных учреждениях и во многих компаниях.

В начале 80-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер)¹ и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом, чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик. Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на IBM PC. Гейтс посо­ветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании в области операционных систем. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя своего подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного IBM PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой. После этого повторного обращения Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System — дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50 000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM. Когда корпорация IBM захотела внести в операционную систему ряд усовершенствований, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS, ставшего первым служащим Micro­soft — еще не оперившейся компании Гейтса. Видоизмененная система была пере­именована в MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) и быстро заняла домини­рующее положение на рынке IBM PC. Самым важным оказалось решение Гейтса (как оказалось, чрезвычайно мудрое) продавать MS-DOS компьютерным компа­ниям для установки вместе с их оборудованием, в отличие от попыток Килдэлла продавать СР/М конечным пользователям (по крайней мере, на начальной стадии).

СР/М, MS-DOS и другие операционные системы для первых микрокомпьюте­ров полностью основывались на командах, вводимых пользователем с клавиатуры. Со временем, благодаря исследованиям, проведенным в 60-е годы Дагом Эн-гельбартом (Doug Engelbart) в научно-исследовательском институте Стэнфорда (Stanford Research Institute), ситуация изменилась. Энгельбарт изобрел графи­ческий интерфейс пользователя (GUI, Graphical User Interface), вкупе с окнами, значками, системами меню и мышью. Эту идею переняли исследователи из Xerox PARC и воспользовались ею в создаваемых ими машинах.

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемыхподпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950—1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой ОС прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в ОС была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).