Лекция на тему: История, назначение, функции и виды операционных систем. Определение операционной системы. Операционная система – это комплекс программ, которые выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, предназначены для управления устройствами и вычислительными процессами, а также для эффективного распределения вычислительных ресурсов и организации надёжных вычислений. Таким образом, операционная система – это программное обеспечение, выполняющее две функции: 1) предоставление пользователю-программисту более удобной в использовании «виртуальной машины», скрывающей реальное оборудование; 2) обеспечение эффективного использования компьютера путем рационального управления его ресурсами. Рассмотрим для чего необходим программный интерфейс между оборудованием и программой пользователя на примере. Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно при организации ввода-вывода. Например, для чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд контроллера NEC PD765, каждая из которых требует 13 параметров: номера поверхности на диске, сектора на дорожке и других. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих, в том числе, наличие и типы ошибок, которые необходимо анализировать. Кроме этого, работа с диском требует специальной организации кода программы, связанной с необходимостью обработки прерываний, отслеживания состояния двигателя привода для уменьшения износа диска с сохранением высокой скорости обращения, организации хранения данных и учета других особенностей. При работе с диском, используя функции операционной системы, программисту достаточно представлять данные в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного чтения или записи файлов – это операционная система. Первое поколение компьютеров и операционных систем (1945-1955 гг.), электронные лампы и коммутационные панели. Изобретателем цифрового компьютера считается английский математик Чарльз Беббидж. В 1833 году им был предложен проект механической универсальной цифровой вычислительной машины – прообраза современной ЭВМ. Первыми действующими компьютерами являлись: компьютер Z3, созданный немецким инженером Конрадом Цузе (1941); компьютер Марк I, созданный американским инженером Говардом Эйкеном (1941); компьютер ЭНИАК, разработанный Джоном Экертом и Джоном Мокли (1945). Первые компьютеры были электромеханическими (реле). В поздних моделях реле были заменены электронными лампами. Первые компьютеры программировались на абсолютном машинном языке, управление основными функциями машины осу- 8 ществлялось путем соединения коммутационных панелей проводами. Такая панель являлась носителем программы и подключалась к компьютеру. Также для записи программ использовались перфорированные ленты. В начале 50-х панели и ленты были заменены перфокартами. На компьютерах первого поколения занимались только прямыми числовыми вычислениями, например, расчетами таблиц синусов, косинусов, логарифмов. Компьютеры имели военные приложения: расчет стреловидных крыльев и управляемых ракет, расчет баллистических таблиц для стрельбы. Компьютеры не имели операционных систем. Программирование осуществлялось в интерактивном режиме: пользователь-программист получал полный контроль над машиной на время отладки программы и выполнения вычислений. В некотором смысле первые компьютеры напоминали современные персональные ЭВМ. Рис. 1.1. Машинный зал с компьютером IBM 7094, НАСА. На переднем плане внизу – считыватель перфокарт. Второе поколение компьютеров и операционных систем (1955-1965 гг.), транзисторы и системы пакетной обработки заданий. С появлением в середине 50-х годов транзисторов компью- 9 теры стали достаточно надежными и могли без сбоев работать длительное время. Такие компьютеры назывались мейнфреймами. Они располагались в специальных помещениях с кондиционированным воздухом, ими управлял целый штат профессиональных операторов. Цена одного из известных мейнфреймов IBM 7090/94 (рис. 1.1) составляла $2,900,000, а стоимость аренды $63,500 в месяц. Рассмотрим организацию работы на IBM 7090/94 и подобных машинах. Для программирования использовался язык высокого уровня Фортран или Ассемблер. Программа для компьютера вначале писалась на бумаге, а затем переносилась на перфокарты при помощи перфораторов: электронно-механических устройств, похожих на печатающие машинки (рис. 1.2). Каждая перфокарта представляла одну строчку кода программы. Перфокарты выполняли функции современных текстовых редакторов. Программа – это колода перфокарт, которая вставлялась в устройство для считывания. Результат работы очередной задачи отображался на принтере. Если в процессе расчетов был необходим компилятор языка Фортран, то оператору необходимо было брать его из карточного шкафа и загружать в машину отдельно. Рис. 1.2. Перфоратор IBM 026 функцию реализовывали первые операционные системы – системы пакетной обработки. 1. История ОС Так как ОС появились и развивались в процессе конструирования компьютеров, то эти события исторически тесно связаны. Первое поколение (1945-55): электронные лампы и коммутационные панели. После безуспешных усилий Бэббиджа прогресс в конструировании цифровых компьютеров практически не наблюдался вплоть до Второй мировой войны, которая стимулировала взрывную активизацию работ на ними. Разработки вели Джон Атанасов, Клиффорд Бери, Конрад Цузе (Z3), Говард Айкен (Марк I); Вильям Молчли, Джон Преспер Эккерт (Эниак). В те времена каждую машину и разрабатывала, и строила, и программировала, и эксплуатировала, и поддерживала в рабочем состоянии одна команда. Все программирование выполнялось на абсолютном машинном языке, управление основными функциями машины осуществлялось за счет сборки электрических схем, а для управления основными функциями машины приходилось подключать к коммутационным панелям тысячи проводов. Тогда ещѐ не были известны языки программирования (даже ассемблера не было). Об операционных системах никто и не слышал. Второе поколение (1955-65): транзисторы и системы пакетной обработки В середине 50-х гг изобретение и применение транзисторов радикально изменило всю картину. Компьютеры стали достаточно надежными, появилась высокая вероятность того, что машины будут работать довольно долго, выполняя при этом полезные функции. Впервые сложилось четкое разделение между проектировщиками, сборщиками, операторами, программистами и обслуживающим персоналом. Чтобы выполнить задание (то есть программу или комплект программ), программист сначала должен был записать его на бумаге (на Фортране или ассемблере), а замет перенести на перфокарты. Способом повышения эффективности использования машинного времени стала система пакетной обработки. Большие компьютеры второго поколения использовались главным образом для научных и технических вычислений, таких как решение дифференциальных уравнений в частных производных, часто встречающихся в физике и инженерных задачах. В основном программы для них составлялись на языке Фортран и ассемблере, а типичными ОМ были FMS (Fortran Monitor System) и IBSYS (ОС, созданная корпорацией IBM для компьютеров IBM 7094). 2. Виды ОС ОС мэйнфреймов (больших универсальных машин). Эти компьютеры размером с комнату все еще можно встретить в центрах данных больших корпораций. Мейнфреймы как бы возвращаются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных электроннокоммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе. ОС для мейнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они предлагают три вида обслуживания: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. пакетная обработка представляет собой систему, выполняющую стандартные задания без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количеством маленьких запросов, например, контролирует процесс работы в банке. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одно машине. Примером ОС для мейнфреймов является OS/390, произошедшая от OS/360. Серверные ОС Они работают на серверах, которые представляют собой или очень большие ПК, или рабочие станции, или даже мейнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами и Интернетом. UNIX и Windows 200 являются типичными серверными ОС. Теперь в этих целях стала использоваться и ОС Linux. Многопроцессорные ОС Для многопроцессорных систем требуются специальные ОС, но зачастую такие ОС представляют собой варианты серверных ОС со специальными возможностями связи. ОС для ПК Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Наиболее яркие примеры – это Windows XP, Windows Vista, Linux. ОС реального времени Если некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени (или внутри заданного диапазона времени), мы имеем дело с жесткой системой реального времени. Существует и другой вид: гибкая система реального времени, в которой допустимы случающиеся время от времени пропуски выполнений операций. В эту категорию попадают цифровое аудио и мультимедийные системы. Системы VxWorks и QNX являются ОС реального времени. Встроенные ОС Карманный компьютер или PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник) – это маленький компьютер, выполняющий небольшой набор функций. Встроенные системы, управляющие действиями устройств, работают на машинах, обычно не считающихся компьютерами, например, в телевизорах, микроволновых печах, мобильных телефонах. Примерами таких ОС являются Palm OS, Windows CE (Consumer Electronics – бытовая техника). ОС для смарт-карт Самые маленькие Ос работают на смарт-мегах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту, содержащие ЦП.