Архітектура операційних систем

Принцип модульності ОС

• Під модулем у загальному випадку розуміють функціонально закінчений елемент системи, виконаний відповідно до прийнятих міжмодульних інтерфейсами.

• Модуль припускає можливість без зусиль замінити його на інший при наявності заданих інтерфейсів

• Найбільший ефект від його використання досяжний, коли принцип розповсюджений одночасно на операційну систему, прикладні програми та апаратуру

Принцип функціональної вибірковості

• В ОС виділяється деяка частина важливих модулів, що повинні постійно знаходитися в оперативній пам'яті для більш ефективної організації обчислювального процесу (ядро)

• При формуванні складу ядра потрібно враховувати два суперечливих вимоги.

• 1) До складу ядра повинні увійти найбільш часто використовувані системні модулі.

• 2) Кількість модулів повинно бути таким, щоб обсяг пам'яті, займаний ядром, був би не занадто великим.

• Транзитні програмні модулі завантажуються в оперативну пам'ять лише при необхідності і у разі відсутності вільного простору можуть бути заміщені іншими транзитними модулями.

Принцип генерується ОС

• Цей принцип дозволяє налаштовувати центральну системну керуючу програму ОС, виходячи з конкретної конфігурації конкретного обчислювального комплексу і кола розв'язуваних завдань.

• Ця процедура проводиться рідко, перед протяжним періодом експлуатації ОЗ.

• Процес генерації здійснюється за допомогою спеціальної програми-генератора і відповідного вхідного мови для цієї програми, що дозволяє описувати програмні можливості системи і конфігурацію машини.

• Принцип генерується істотно спрощує настройку ОС на необхідну конфігурацію обчислювальної системи

Принцип функціональної надмірності

• Цей принцип враховує можливість проведення однієї і тієї ж роботи різними засобами

• Дозволяє:

• • швидко і найбільш адекватно адаптувати ОС до визначеної конфігурації обчислювальної системи
  • забезпечити максимально ефективну завантаження технічних засобів при вирішенні конкретного класу задач
  • отримати максимальну продуктивність при вирішенні заданого класу задач

Принцип віртуалізації

• Цей принцип дозволяє представити структуру системи у вигляді певного набору планувальників процесів і розподільників ресурсів (моніторів) і використовувати єдину централізовану схему розподілу ресурсів.

• Найбільш природним і закінченим проявом концепції віртуальності є поняття віртуальної машини.

• Будь-яка ОС приховує від користувача і його додатків реальні апаратні й інші ресурси, заміняючи їх деякою абстракцією.

Принцип віртуалізації

• Віртуальна машина, що надається користувачеві, відтворює архітектуру реальної машини, але архітектурні елементи в такому поданні виступають з новими чи поліпшеними характеристиками:

• • однакова за логікою роботи пам'ять (віртуальна) практично необмеженого обсягу.
  • довільну кількість процесорів (віртуальних), здатних працювати паралельно і взаємодіяти під час роботи.
  • довільну кількість зовнішніх пристроїв (віртуальних), здатних працювати з пам'яттю віртуальної машини паралельно або послідовно, асинхронно чи синхронно по відношенню до роботи того чи іншого віртуального процесора, що ініціюють роботу цих пристроїв.

Принцип незалежності програм від зовнішніх пристроїв

• Зв'язок програм з конкретними пристроями виробляється не на рівні трансляції програми, а в період планування її виконання

• У результаті перекомпіляція при роботі програми з новим пристроєм, на якому розташовуються дані, не потрібно.

• Принцип дозволяє однаково здійснювати операції управління зовнішніми пристроями незалежно від їхніх конкретних фізичних характеристик

Принцип сумісності

• Це здатність ОС виконувати програми, написані для інших ОС чи для більш ранніх версій даної операційної системи, а також для іншої апаратної платформи.

• Двійкова сумісність достігаетс, коли можна запустити виконувану програму на виконання на інший ОС. Для цього необхідні:

• • сумісність на рівні команд процесора,
  • сумісність на рівні системних викликів і навіть на рівні бібліотечних викликів, якщо вони є динамічно зв'язуваними.

• Працює на рівні вихідних текстів вимагає наявності відповідного транслятора в складі системного програмного забезпечення, а також сумісності на рівні бібліотек і системних викликів. При цьому необхідна перекомпіляція наявних вихідних текстів у новий виконуваний модуль.

Принцип відкритої і нарощуваної ОС

• Відкрита ОС доступна для аналізу як користувачам, так і системним фахівцям, обслуговуючим обчислювальну систему.

• Нарощувана (що модифікуються, що розвивається) ОС дозволяє не тільки використовувати можливості генерації, але і вводити до її складу нові модулі, удосконалювати існуючі і т. д.

• Необхідно, щоб можна було внести доповнення і зміни, і не порушити цілісність системи.

Принцип мобільності (переносимості)

• Операційна система відносно легко повинна переноситися з процесора одного типу на процесор іншого типу і з апаратної платформи одного типу на апаратну платформу іншого типу.

• • Велика частина ОС повинна бути написана мовою, який є на всіх системах, на які планується надалі її переносити. Тобто ОС повинна бути написана мовою високого рівня, переважно стандартизованому.
  • Важливо мінімізувати або виключити частини коду, які безпосередньо взаємодіють з апаратними засобами.
  • Якщо апаратно-залежний код не може бути повністю виключений, то він повинен бути ізольований у декількох добре локалізуемие модулях. Апаратно-залежний код не повинен бути розподілений по всій системі.

Вимоги до сучасних ОС

• Головні вимоги:

• виконання основних функцій ефективного управління ресурсами

• забезпечення зручного інтерфейсу для користувача і прикладних програм

Принцип забезпечення безпеки обчислень

• Правила безпеки визначають властивості:

• захист ресурсів одного користувача від інших

• встановлення квот по ресурсах для запобігання захоплення одним користувачем усіх системних ресурсів

• Більш безпечні системи не тільки знижують ефективність, а й істотно обмежують число доступних прикладних пакетів, які відповідним чином можуть виконуватися в подібній системі

Класифікація ОС

• по числу одночасно виконуваних завдань

• однозадачние (MS DOS) і

• багатозадачні

• Системи пакетної обробки (ОС ЄС)

• Системи з поділом часу (Unix, Linux, Windows)

• Системи реального часу (RT11, QNX)

Класифікація ОС

• по числу одночасно працюючих користувачів на ЕОМ ОС поділяються на

• однокористувацькі (MS DOS);

• багатокористувацькі (Unix, Linux, Windows 95 - XP)

Класифікація ОС

• за типом ліцензії:

• пропріетарна (сімейство Windows)

• відкрита (більшість Linux і UNIX систем).

Класифікація ОС

• з архітектури:

• мікроядерний (VxWorks, QNX);

• монолітні (Windows XP);

• гібридні (Windows NT, більшість Linux);

Класифікація ОС

• по використанню процесора:

• однопроцесорні;

• багатопроцесорні системи (починаючи з OS / 2, Net Ware, Widows NT, більшість сучасних ОС).

Класифікація ОС

• по застосуванню:

• робочих станцій (DOS, МАС OS, Windows 98, XP, Vista),

• серверів (AIX, Windows 2000, Windows Server 2003, Windows Vista Server 2008),

• ОС реального часу;

• вбудовані ОС (VxWorks, QNX, Nucleus),

• для мобільних пристроїв (Windows CE, Pocket PC, Windows Mobile, Palm OS, Symbian OS),

• для мережевих маршрутизаторів (IOS від Cisco),

Класифікація ОС

• по можливості мережної взаємодії:

• локальні (DOS);

• мережеві (Netware 3.x - 6.x, UNIX, Linux, FreeBSD).

ОС як система управління ресурсами

• основні ресурси сучасних обчислювальних систем:

• Процесори

• Основна пам'ять

• Таймери

• Набори даних

• Диски

• Принтери

• Мережні пристрої

• та ін

• Ресурси розподіляються між процесами.

Процес

• Процес (задача) - базове поняття більшості сучасних ОС.

• Процес - програма в стадії виконання.

• Програма - це статичний об'єкт, що представляє собою файл із кодами і даними.

• Процес - це динамічний об'єкт, який виникає в ОС після того, як користувач або ОС вирішує «запустити програму на виконання», тобто створити нову одиницю обчислювальної роботи.

Вимоги до сучасних ОС

• Розширюваність

• Переносимість або багатоплатформність

• Працює

• Надійність і відмовостійкість

• Безпека

• Продуктивність

Завдання ОС з управління ресурсами

• Управління ресурсами обчислювальної системи з метою найбільш ефективного їх використання є призначенням ОС.

• Управління ресурсами включає вирішення наступних загальних, що не залежать від типу ресурсу завдань:

• планування ресурсу - тобто визначення, якому процесу, коли і в якій кількості (якщо ресурс може виділятися частинами) варто виділити даний ресурс;

• задоволення запитів на ресурси;

• відстеження стану й облік використання ресурсу - тобто підтримка оперативної інформації про те, зайнятий або вільний ресурс і яка частка ресурсу вже розподілена;

• вирішення конфліктів між процесами.

1. Розширюваність ОС

• ОС завжди змінюються з часом еволюційно, і ці зміни більш значущі, ніж зміни апаратних засобів

• Якщо код ОС написаний таким чином, що доповнення і зміни можуть вноситися без порушення цілісності системи, то таку ОС називають розширюваною

• Розширюваність досягається за рахунок модульної структури ОС (програми будуються з набору окремих модулів, взаємодіючих тільки через функціональний інтерфейс)

2. Переносимість або багатоплатформність

• В ідеалі код ОС повинен легко переноситися з процесора одного типу на процесор іншого типу і з апаратної платформи одного типу на апаратну платформу іншого типу

• Переносні ОС мають кілька варіантів реалізації для різних платформ

3. Сумісність

• Для користувача, що переходить з однієї ОС на іншу, дуже приваблива можливість запуску в новій ОС звичного додатка.

• Якщо ОС має засоби для виконання прикладних програм, написаних для інших ОС, то про неї говорять, що вона володіє сумісністю з цими ОС

• Поняття сумісності включає також підтримку користувацьких інтерфейсів інших ОС

4. Надійність і відмовостійкість

• ОС повинна бути захищена як від внутрішніх, так і від зовнішніх помилок, збоїв та відмов.

• Дії ОС повинні бути завжди передбачуваними, а додатки не повинні мати можливості наносити шкоду ОС.

• Надійність і відмовостійкість ОС перш за все визначаються архітектурними рішеннями, покладеними в її основу, а також якістю її реалізації

• Важливо, чи включає ОС програмну підтримку апаратних засобів забезпечення відмовостійкості, таких, наприклад, як дискові масиви або джерела безперебійного живлення.

5. Безпека

• Сучасна ОС повинна захищати дані й інші ресурси обчислювальної системи від несанкціонованого доступу.

• • засоби аутентифікації - визначення легальності користувачів
  • авторизації - надання легальним користувачам диференційованих прав доступу до ресурсів
  • аудиту - фіксації всіх «підозрілих» для безпеки системи подій

• У мережевих ОС до задачі контролю доступу додається завдання захисту даних, переданих по мережі.

6. Продуктивність

• ОС повинна мати настільки хорошою швидкодією і часом реакції, наскільки це дозволяє апаратна платформа

• На продуктивність ОС впливають:

• • архітектура ОС
  • різноманіття функцій
  • якість програмування коду
  • можливість виконання ОС на високопродуктивній (багатопроцесорної) платформі

Основні принципи побудови операційних систем

• Модульності

• Функціональної вибірковості

• Генерується

• Функціональної надмірності

• Віртуалізації

• Незалежності програм від зовнішніх пристроїв

• Сумісності

• Відкритої і нарощуваної ОС

• Мобільності (переносимості)

• Забезпечення безпеки обчислень