Контрольная работа по "Информатике"

Вопрос 1. Что такое ОС

• Операционная система как виртуальная машина
• Операционная система как менеджер ресурсов

 

Операционная система (ОС) – это программа (комплекс программ), которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом

1-ОС предоставляет удобный интерфейс пользователю не заставляя его вникать в подробности аппаратного обеспечения

2-менеджер ресурсов, распределение  ресурсов между процессами ОС-мультиплексированием 

Вопрос 2. Краткая история эволюции вычислительных систем

• Первый период (1945–1955 гг.). Ламповые машины. Операционных систем нет
• Второй период (1955 г.–начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы
• Третий период (начало 60-х – 1980 г.). Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС
• Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время). Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы

 

1- Программирование  осуществлялось на машинном языке.  Операционных систем нет. Много времени уходило на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных.

Крайне высокая  стоимость вычислительных систем, незначительное их количество, низкая надежность и  малая эффективность использования.

2- Появление  новой элементной базы – полупроводниковых  элементов - привело к повышению  надежности компьютеров, резко  снижается энергопотребление, уменьшаются габариты. Снизилась стоимость эксплуатации и обслуживания вычислительной техники. Персонал  разделился на программистов и операторов, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.

Появились первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали запуск программ из пакета, тем самым увеличили коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем, они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.

3- Появление и широкое использование интегральных микросхем привело к повышению надежности и снижению стоимости ЭВМ. Повышается производительность процессоров, растет сложность и увеличивается количество решаемых задач. Разрабатываются первые многозадачные ОС с применением аппарата прерываний.

Появление магнитного диска как устройства прямого доступа привело к  дальнейшему развитию вычислительных систем. Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий: в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д. на выполнение выбирается то или иное задание. С целью дальнейшего повышения эффективности использования процессора было предложено мультипрограммирование. Мультипрограммирование требует наличия в памяти нескольких программ одновременно. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом, и не должна влиять на выполнение другой программы. Поэтому данный механизм существенно повлиял на развитие аппаратной поддержки вычислительных систем:

1965 –  80  ОС Multics, UNIX, System V, BSD, стандарт POSIX

4- С появление больших интегральных схем (БИС) произошло резкое возрастание степени интеграции и существенное снижение стоимости микросхем. Наступила эра персональных компьютеров. Компьютеры стали использоваться не только специалистами, но и людьми, весьма «далекими» от информатики и программирования, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения.

Рост сложности  и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к реализации практически всех черт, характерных для архитектуры больших ЭВМ.

1980  Intel 8086, IBM PC, IBM SYSTEM(p,z,x), Solaris, Oracle

 

 Вопрос 3.  Аппаратное обеспечение компьютера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MMU – Memory Management Unit – блок управление памятью

ЦП компьютера копирует команды из памяти, декодирует их в машинный код, исполняет декодирование  команды на арифметичко логическом устройстве, осуществляет обратное декодирование и копирует результат обратно в память.

 

 

 

Вопрос 4. Основные понятия, концепции ОС

• Системные вызовы
• Прерывания
• Файлы
• Процессы, потоки
• Оболочка
• Адресное пространство

Основные  понятия, концепции ОС

В процессе эволюции возникло несколько важных концепций, которые стали неотъемлемой частью теории и практики ОС. 

Системные вызовы

В любой операционной системе поддерживается механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться к услугам ядра ОС. В операционных системах наиболее известной советской вычислительной машины БЭСМ6 соответствующие средства "общения" с ядром назывались экстракодами, в операционных системах IBM они назывались системными макрокомандами и т.д. В ОС Unix такие средства называют системными вызовами.

Системные вызовы (system calls) – это интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых – процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной системы, осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур, которые загружают машинные регистры с определенными параметрами и осуществляют прерывание процессора, после чего управление передается обработчику данного вызова, входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек – сделать системный вызов похожим на обычный вызов подпрограммы.Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра(kernel mode).

Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями,  в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями. В этом режиме работает код ядра операционной системы, причем исполняется он в адресном пространстве и в контексте вызвавшей его задачи. Таким образом, ядро операционной системы имеет полный доступ к памяти пользовательской программы, и при системном вызове достаточно передать адреса одной или нескольких областей памяти с параметрами вызова и адреса одной или нескольких областей памяти для результатов вызова. В большинстве операционных систем системный вызов осуществляется командой программного прерывания (INT).

 

 

 

Программное прерывание

– это синхронное событие, которое может быть повторено при выполнении одного и того же программного кода. 

Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним(по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, чтопроизошло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например,пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхроннойоперации ввода-вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Важный тип аппаратных прерываний – прерывания таймера, которые генерируются периодически через фиксированный промежуток времени. Прерывания таймера используются операционной системой при планировании процессов. Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер, однозначно определяющий источник прерывания. Аппаратное прерывание – это асинхронное событие, то есть оно возникает вне зависимости оттого, какой код исполняется процессором в данный момент. Обработка аппаратного прерывания не должна учитывать, какой процесс является текущим

Файлы

Файл – побитовое представление чего либо(изображение, текстовый файл)

Обычно под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации. Главная задача файловой системы (file system) – скрыть особенности ввода-вывода и дать программисту простую абстрактную модель файлов, независимых от устройств. Для чтения, создания, удаления, записи, открытия и закрытия файлов также имеется обширная категория системных вызовов (со-здание, удаление, открытие, закрытие, чтение и т.д.). Пользователям хорошо знакомы такие связанные с организацией файловой системы понятия, как каталог, текущий каталог, корневой каталог, путь. Для манипулирования этими объектами в операционной системе имеются системные вызовы

 

Процесс

Процесс – это  программы во время ее выполнения.

У каждого процесса ОС есть свое адресное пространство, т.е. адреса ячеек памяти которым обладает запущенная программа. Вся информация о процессах в ОС храниться  в виде отдельной таблицы, которая  называется таблицей процессов.

 

Поток - это последовательность или цикл управления в процессе.

Важно понять разницу  между системным вызовом fork и  созданием новых потоков. Когда  процесс выполняет системный  вызов fork, создается новая копия  процесса с ее собственными переменными  и собственным PID. Время выполнения этого нового процесса планируется независимо и выполняется он (в основном) независимо от создавшего его процесса. Когда мы создаем в процессе новый поток, этот поток исполнения в противоположность новому процессу получает собственный стек (и, следовательно, локальные переменные), но использует совместно с создавшим его процессом глобальные переменные, файловые дескрипторы, обработчики сигналов и положение текущего каталога.

Оболочка

Оболочка- взаимодействие пользователя с компьютером посредствам текста.

Если оболочка содержит графич. Знаки это графический интерфейс пользователя GUI.

 

Адресное пространство

Адресное пространство — это просто диапазон адресов, обозначающих определенное место в памяти. Адресные пространства подразделяются на три  разновидности:

-Физическое адресное пространство

-Линейное адресное пространство

-Логическое адресное пространство, известное также как виртуальное адресное пространство

Физические адреса — это  реальные, аппаратные адреса, доступные  в системе.

В противоположность этому, линейные адреса обычно не рассматриваются как адреса, находящиеся на страницах. Процессор (на самом деле модуль управления памятью, рассматриваемый ниже) преобразует логические адреса, используемые процессом, в линейные адреса с применением способа, зависящего от архитектуры. В архитектуре х86 это преобразование предусматривает простое сложение виртуального адреса с другим адресом — базовым адресом сегмента процесса; поскольку этот базовый адрес устанавливается равным 0 для любой задачи, логические адреса и линейные адреса в этой архитектуре одинаковы. Затем результирующий линейный адрес преобразуется в физический адрес для взаимодействия с оперативной памятью системы.

 

 

Вопрос 5. Архитектурные особенности ОС

- Монолитное ядро

- Многоуровневые системы (Layered systems)

- Виртуальные машины

- Микроядерная архитектура

- Клиент-серверная модель

- Смешанные системы

Монолитное ядро – это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой.

Многоуровневые системы (Layered systems) - Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами в 1968 г. Эта система имела следующие уровни:

5	Интерфейс пользователя
4	Управление вводом выводом
3	Драйвер устройств оператора  связи и консоли
2	Управление памятью
1	Планирование задач  и процессов
0	Hardware

 

Виртуальная машина - программная и/или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы. или виртуализирующая некоторую платформу и создающая на ней среды, изолирующие друг от друга программы и даже операционные системы. также, спецификация некоторой вычислительной среды

Микроядерная архитектура (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Клиент-серверная  модель - в базовой модели клиент-сервер все процессы в распределенных системах делятся на две возможно перекрывающиеся группы. Процессы, реализующие некоторую службу, например службу файловой системы или базы данных, называются серверами (servers). Процессы, запрашивающие службы у серверов путем посылки запроса и последующего ожидания ответа от сервера, называются клиентами(clients). Взаимодействие клиента и сервера, известное также под названием режим работы запрос-ответ

Смешанные системы - ядро операционной системы Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра – так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.