Лекция 4. Понятие операционной системы. 4 часа.

План:

1. Чем определяется основные возможности ОС.

2. Основные принципы построения ОС.

Как комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, операционная система представляет собой очень сложный конгломерат взаимо-связанных программных модулей и структур данных, которые должны обеспечи­вать надежное и эффективное выполнение вычислений. Большинство потенци­альных возможностей операционной системы, ее технические и потребительские параметры — все это во многом определяется архитектурой системы — ее структу­рой и основными принципами построения.

Основные принципы построения ОС:

Частотный принцип. Основан на выделении в алгоритмах программ, а в обрабатываемых массивах действий и данных по частоте использования. Действия и данные, которые часто используются, располагаются в операционной памяти, для обес­печения наиболее быстрого доступа. Основным средством такого доступа является организация многоуровневого планиро­вания. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие и длинные операции управления деятельностью системы. К краткосрочному планированию подвергаются часто используемые и короткие операции. Система инициирует или преры­вает исполнение программ, предоставляет или забирает динамически требуемые ресурсы, и прежде всего центральный про­цессор и память.

Принцип модульности. Модуль - это функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с приня­тыми межмодульными интерфейсами. Модуль по определению предполагает возможность замены его на любой другой при наличии соответствующих интерфейсов. Чаще всего при построении ОС разделение на модули происходит по функциональ­ному признаку. Важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули. Привилегированные модули функционируют в привилегированном режиме, при котором отключается система пре­рываний, и никакие внешние события не могут нарушить последовательность вычислений. Реентерабельные модули допус­кают повторное многократное прерывание исполнения и повторный запуск из других задач. Для этого обеспечивается сохра­нение промежуточных вычислений и возврат к ним с прерванной точки. Повторно входимые модули допускают многократ­ное параллельное использование, однако не допускают прерываний. Они состоят из привилегированных блоков и повторное обращение к ним возможно после завершения какого-либо из этих блоков. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Максимальный эффект от использования достигается, если принцип распространяет­ся и на ОС, и на прикладные программы, и на аппаратуру.

Принцип функциональной избирательности.Этот принцип подразумевает выделение некоторых модулей, которые долж­ны постоянно находиться в оперативной памяти для повышения производительности вычислений. Эту часть ОС называют ядром. С одной стороны, чем больше модулей в ОЗУ, тем выше скорость выполнения операций. С другой стороны, объем памяти, занимаемой ядром, не должен быть слишком большим, поскольку в противном случае обработка прикладных задач будет низкоэффективной. В состав ядра включают модули по управлению прерываниями, модули для обеспечения мультизадачности и передачи управления между процессами, модули по распределению памяти и т.д.

Принцип генерируемости ОС.Этот принцип определяет такой способ организации архитектуры ядра ОС, который позво­лял бы настраивать его, исходя из конкретной конфигурации вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта про­цедура выполняется редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка. В результате генерации получается пол­ная версия ОС, представляющая собой совокупность системных наборов модулей и данных. Принцип модульности сущест­венно упрощает генерацию. Наиболее ярко этот принцип используется в ОС Linux, которая позволяет не только генерировать ядро ОС, но указывать состав подгружаемых, т.н. транзитных модулей. В остальных ОС конфигурирование выполняется в процессе инсталляции.

Принцип функциональной избыточности.Принцип учитывает возможность проведения одной и той же операции различ­ными средствами. В состав ОС могут входить несколько разных мониторов, управляющих тем или иным видом ресурса, не­сколько систем управления файлами и т.д. Это позволяет быстро и достаточно адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач и получить при этом максимальную производительность.

Принцип умолчания.Применяется для облегчения организации связи с системами, как на стадии генерации, так и при ра­боте с системой. Принцип основан на хранении в системе некоторых базовых описаний, структур процесса, модулей, конфи­гураций оборудования и данных, определяющих прогнозируемые объемы требуемой памяти, времени счета программы, по­требности во внешних устройствах, которые характеризуют пользовательские программы и условия их выполнения. Эту ин­формацию пользовательская система использует в качестве заданной, если она не будет заданна или сознательно не конкре­тизирована. В целом применение этого принципа позволяет сократить число параметров устанавливаемых пользователем, когда он работает с системой.

Принцип перемещаемости.Предусматривает построение модулей, исполнение которых не зависит от места расположения в операционной памяти. Настройка текста модуля в соответствии с его расположением в памяти осуществляется либо специ­альными механизмами, либо по мере ее выполнения. Настройка заключается в определении фактических адресов, исполь­зуемых в адресных частях команды, и определяется применяемым способом адресации и алгоритмом распределения опера­тивной памяти, принятой для данной ОС. Она может быть распределена и на пользовательские программы.

Принцип виртуализации.Принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов), используя единую централизованную схему. Концепция виртуальности выражается в понятии виртуальной машины. Любая ОС фактически скрывает от пользователя реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как доста­точно абстрактное устройство, способное воспринимать их программы, выполнять их и выдавать результат. Пользователю совершенно не интересна реальная конфигурация вычислительной системы и способы эффективного использования ее ком­понентов. Он работает в терминах используемого им языка и представленных ему виртуальной машиной ресурсов. Для не­скольких параллельных процессов создается иллюзия одновременного использования того, что одновременно в реальной системе существовать не может. Виртуальная машина может воспроизводить и реальную архитектуру, однако элементы ар­хитектуры выступают с новыми, либо улучшенными, характеристиками, зачастую упрощающими работу с системой. Иде­альная, с точки зрения пользователя, машина должна иметь:

- единообразную по логике работы виртуальную память практически неограниченного объема;

- произвольное количество виртуальных процессоров, способных функционировать параллельно и взаимодейство­вать во время работы;

- произвольное количество виртуальных внешних устройств, способных получать доступ к памяти виртуальной ма­шины последовательно или параллельно, синхронно или асинхронно. Объемы информации не ограничиваются.

Чем больше виртуальная машина, реализуемая ОС, приближена к идеальной, т.е. чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реальных, тем большая степень виртуальности достигнута. ОС строится как иерархия вложенных друг в друга виртуальных машин. Нижним уровнем программ является аппаратные средства машин. Следующим уровнем уже является программным, который совместно с нижним уровнем обеспечивает достижение машиной новых свойств. Каж­дый новый уровень дает возможность расширять функции возможности по обработке данных и позволяет достаточно просто производить доступ к низшим уровням. Применение метода иерархического упорядочивания виртуальных машин наряду с достоинствами: систематичность проекта, возрастание надежности программных систем, уменьшение сроков разработки имеет проблемы. Основная из них: определение свойств и количества уровней виртуализации, определения правил внесения на каждый уровень необходимых частей ОС. Свойства отдельных уровней абстракции (виртуализации):

1. На каждом уровне ничего не известно о свойствах и о существовании более высоких уровней.

2. На каждом уровне ничего не известно о внутреннем строении других уровней. Связь между ними осуществляется только через жесткие, заранее определенные сопряжения.

3. Каждый уровень представляет собой группу модулей, некоторые из них являются внутренними для данного и доступ­ны для других уровней. Имена остальных модулей известны на следующим, более высоком уровне, и представляют собой сопряжение с этим уровнем.

4. Каждый уровень располагает определенными ресурсами и либо скрывает от других уровней, либо представляет дру­гим уровням их абстракции (виртуальные ресурсы).

5. Каждый уровень может обеспечивать некоторую абстракцию данных в системе.

6. Предположения, что на каждом уровне делается относительно других уровней, должны быть минимальными.

7. Связь между уровнями ограничена явными аргументами, передаваемыми с одного уровня на другой.

8. Недопустимо совместное использование несколькими уровнями глобальных данных.

9. Каждый уровень должен иметь более прочное и слабое сцепление с другими уровнями.

10. Всякая функция, выполняемая уровнем абстракции должна иметь единственный вход.

Принцип независимости ПОот внешних устройств. Принцип заключается в том, что связь программы с конкретными уст­ройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее использования. При работе про­граммы с новым устройством, перекомпиляция не требуется. Принцип реализуется в подавляющем большинстве ОС.

Принцип совместимости.Этот принцип определяет возможность выполнения ПО, написанного для другой ОС или для бо­лее ранних версий данной ОС. Различают совместимость на уровне исполняемых файлов и на уровне исходных текстов про­грамм. В первом случае готовую программу можно запустить на другой ОС. Для этого требуется совместимость на уровне команд микропроцессора, на уровне системных и библиотечных вызовов. Как правило, используются специально разрабо­танные эмуляторы, позволяющие декодировать машинный код и заменить его эквивалентной последовательностью команд в терминах другого процессора. Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора и также совместимости на уровне системных вызовов и библиотек.

Принцип открытости и наращиваемости.Открытость подразумевает возможность доступа для анализа как системным специалистам, так и пользователям. Наращиваемость подразумевает возможность введения в состав ОС новых модулей и модификации существующих. Построение ОС по принципу клиент-сервер с использованием микроядерной структуры обес­печивает широкие возможности по наращиваемости. В этом случае ОС строится как совокупность привилегированной управ­ляющей программы и непривилегированных услуг-серверов. Основная часть остается неизменной, тогда как серверы могут быть легко заменены или добавлены.

Принцип мобильности (переносимости).Подразумевает возможность перенесения ОС с аппаратной платформы одного типа на платформу другого типа. При разработке переносимой ОС следуют следующим правилам: большая часть ОС пишет­ся на языке, который имеет трансляторы на всех платформах, предназначенных для использования. Это язык высокого уров­ня, как правило, С. Программа на ассемблере в общем случае не является переносимой. Далее, минимизируют или исключа­ют те фрагменты кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными ресурсами. Аппаратно-зависимый кол изолируется в нескольких хорошо локализуемых модулях.

Принцип безопасности.Подразумевает защиту ресурсов одного пользователя от другого, а также предотвращения захвата всех системных ресурсов одним пользователем, включая и защиту от несанкционированного доступа. Согласно стандарту NCSC (National Computer Security Center) 1985 года, т.н. Оранжевой книге, системы подразделяются на 7 категорий: D, С1, С2, В1, В2, ВЗ, А1, где А является классом с максимальной защитой. Большинство современных ОС отвечают требованиям уровня С2. Он обеспечивает:

- средства секретного входа, позволяющие идентифицировать пользователя путем ввода уникального имени и пароля при входе в систему;

- избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и его права;

- средства учета и наблюдения (аудита), обеспечивающие возможность обнаружения и фиксации событий, связан­ных с безопасностью системы и доступом к системным ресурсам;

- защита памяти, подразумевающая инициализацию перед повторным использованием.

На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но его действия легко отслеживаются по журналу. Системы уровня В распределяют пользователей по категориям, присваивая определенный рейтинг защиты, и предоставляя доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Уровень А требует выполнения формального, математически обоснованно­го доказательства соответствия системы определенным критериям безопасности. На уровне А управляющие безопасностью механизмы занимают до 90% процессорного времени. В ОС реализуется несколько подходов для обеспечения защиты. Од­ним из них является двухконтекстность работы процессора, т.е. в каждый момент времени процессор может выполнить либо программу из состава ОС, либо прикладную или служебную программу, не входящую в состав ОС. Для того, чтобы гаранти­ровать невозможность непосредственного доступа к любому разделяемому ресурсу со стороны пользовательских и служеб­ных программ, в состав машинных команд вводятся специальные привилегированные команды, управляющие распределени­ем и использованием ресурсов. Эти команды разрешается выполнять только ОС. Контроль за их выполнением производится аппаратно. При попытке выполнить такую команду возникает прерывание, и процессор переводится в привилегированный режим. Для реализации принципа защиты используется механизм защиты данных и текста программ, находящихся в ОЗУ. Самым распространенным подходом при этом является контекстная защита. Для программ и пользователей выделяется оп­ределенный участок памяти, и выход за его пределы приводит к прерыванию по защите. Механизм контроля реализуется аппаратным способом на основе ограниченных регистров или ключей памяти. Применяются различные способы защиты хранения данных в файлах. Самый простой способ защиты - парольный.

Контрольные вопросы:

1. Что означает частотный, принцип независимости и совместимости.

2. Что означает принцип модульности.

3. Принцип функциональной избыточности(ФИ), настройки ФИ.

4. Принцип умолчания и генерируемости ОС.

5. Свойства принципов виртуализации.

6. Принцип мобильности и безопасности.

Лекция 5. Классификация ОС. Основные понятия, концепции ОС

План: