Эволюция ос компьютеров различных типов. Эволюция операционных систем. Основные этапы развития. Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

Кафедра Информатики и информационнойбезопасности

Контрольная работа

по дисциплине «Информатика»

Реферат на тему «Эволюция операционных систем компьютеров различных типов»

Выполнил: студент группы 1304006-11-1

Вариант №13

Сагдетдинов Д.Ф.

Проверил: старший преподаватель

Коринченко Г.М.

Магнитогорск 2014 г.

• 1. Эволюция операционных систем компьютеров различных типов
• 1.2 Появление мультипрограммных операционных систем для мэйнфреймов
• 2. Задание по MathCAD №1 «Построение двумерных графиков в MathCAD»
• 2.1 Формулировка задания
• 2.2Результат - полученный график
• 3. Задание по MathCAD №2 «Решение СЛАУ»
• 3.1 Формулировка задания
• 4. Задание по MathCAD №3 «Решение систем нелинейных уравнений»
• 4.1 Формулировка задания
• 5. Задание по MathCAD №4 «Решение нелинейных уравнений»
• 5.1 Формулировка задания

1. Эволюция операционных систем компьютеров различных типов

За почти полувековой период своего существования операционные системы (ОС) прошли сложный путь, насыщенный многими важными событиями. Огромное влияние на развитие операционных систем оказали успехи в совершенствовании элементной базы и вычислительной аппаратуры, поэтому многие этапы их развития тесно связаны с появлением новых типов аппаратных платформ, таких как мини-компьютеры или персональные компьютеры.

Серьезную эволюцию операционные системы претерпели в связи с новой ролью компьютеров в локальных и глобальных сетях. Важнейшим фактором их развития стал Интернет.

1.1 Появление первых операционных систем

Рождение цифровых вычислительных машин произошло вскоре после окончания Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства.

Программирование в то время осуществлялось исключительно на машинном языке. Не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, которые программист мог использовать для того, чтобы не писать каждый раз коды, вычисляющие значение какой-либо математической функции или управляющие стандартным устройством ввода-вывода.

Операционные системы все еще не появились, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления, который представлял собой примитивное устройство ввода-вывода, состоящее из кнопок, переключателей и индикаторов.

С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти. Компьютеры стали более надежными, теперь они могли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.

Тогда же были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

Системы пакетной обработки значительно сократили затраты времени на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса, а значит, был сделан еще один шаг по повышению эффективности использования компьютеров.

Однако при этом программисты-пользователи лишились непосредственного доступа к компьютеру, что снижало эффективность их работы -- внесение любого исправления требовало значительно больше времени, чем при интерактивной работе за пультом машины.

1.2 Появление мультипрограммных операционных системдля мэйнфреймов

Следующий важный период развития операционных систем относится к 1965-1975 годам.

В это время в технической базе вычислительных машин произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров.

В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС:

Мультипрограммирование,

Мультипроцессирование,

Поддержка многотерминального многопользовательского режима,

Виртуальная память,

Файловые системы,

Разграничение доступа,

Сетевая работа.

Революционным событием данного этапа явилась промышленная реализация мультипрограммирования. В условиях резко возросших возможностей компьютера по обработке и хранению данных выполнение только одной программы в каждый момент времени оказалось крайне неэффективным. Решением стало мультипрограммирование - способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.

Эти усовершенствования значительно улучшили эффективность вычислительной системы: компьютер теперь мог использоваться почти постоянно, а не менее половины времени работы компьютера, как это было раньше.

Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах - в системах пакетной обработки и разделения времени.

1.3 Операционные системы и глобальные сети

В начале 70-х годов прошлого века появились первые сетевые операционные системы, которые в отличие от многотерминальных позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями.

Любая сетевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров.

Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

В 1969 году Министерство обороны США инициировало работы по объединению суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров в единую сеть. Эта сеть получила название ARPANET и явилась отправной точкой для создания самой известной ныне глобальной сети - ИнтернетаСеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС с добавленными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети..

В 1974 году компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры для своих мэйнфреймов, получившей название SNA (System Network Architecture).

Эта многоуровневая архитектура, во многом подобная стандартной модели OSI, появившейся несколько позже, обеспечивала взаимодействие типа «терминал-терминал», «терминал-компьютер» и «компьютер-компьютер» по глобальным связям.

1.4 Операционные системы мини-компьютеров. Первые локальные сети

К середине 70-х годов наряду с мэйнфреймами широкое распространение получили мини-компьютеры. Они первыми использовали преимущества больших интегральных схем, позволившие реализовать достаточно мощные функции при сравнительно невысокой стоимости компьютера.

Архитектура мини-компьютеров была значительно упрощена по сравнению с мэйнфреймами, что нашло отражение и в их операционных системах. Многие функции мультипрограммных многопользовательских ОС мэйнфреймов были усечены, учитывая ограниченность ресурсов мини-компьютеров.

Операционные системы мини-компьютеров часто стали делать специализированными, например только для управления в реальном времени или только для поддержания режима разделения времени.

Важной вехой в истории мини-компьютеров и вообще в истории операционных систем явилось создание ОС UNIX. Ее массовое использованиеначалось с середины 70-х годов. К этому времени программный код для UNIX был на 90 % написан на языке высокого уровня С.

Доступность мини-компьютеров и вследствие этого их распространенность на предприятиях послужили мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие могло себе позволить иметь несколько мини-компьютеров, находящихся в одном здании или даже в одной комнате. Естественно, возникала потребность в обмене информацией между ними и в совместном использовании дорогого периферийного оборудования.

Первые локальные сети строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования, в простейшем случае -- путем прямого соединения последовательных портов компьютеров. Программное обеспечение также было нестандартным и реализовывалось в виде пользовательских приложений.

1.5 Развитие операционных систем в 80-е годы

К наиболее важным событиям этого десятилетия можно отнести:

Разработку стека TCP/IP,

Становление Интернета,

Стандартизацию технологий локальных сетей,

Появление персональных компьютеров,

И операционных систем для них.

Рабочий вариант стека протоколов TCP/IP был создан в конце 70-х годов.

В 1983 году стек протоколов TCP/IP был принят Министерством обороны США в качестве военного стандарта.

Внедрение протоколов TCP/IP в ARPANET придало этой сети все основные черты, которые отличают современный Интернет.

Все десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, все более совершенных версий ОС UNIX. Среди них были и фирменные версии UNIX: SunOS, HP-UX, Irix, AIX и многие другие, в которых производители компьютеров адаптировали код ядра и системных утилит для своей аппаратуры.

Начало 80-х годов связано с еще одним знаменательным для истории операционных систем событием - появлением персональных компьютеров.

Они послужили мощным катализатором для бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен компьютеров, принадлежащих одному предприятию и расположенных в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

Сетевые функции реализовывались в основном сетевыми оболочками, работавшими поверх ОС. При сетевой работе всегда необходимо поддерживать многопользовательский режим, при котором один пользователь - интерактивный, а остальные получают доступ к ресурсам компьютера по сети. В таком случае от операционной системы требуется хотя бы некоторый минимум функциональной поддержки многопользовательского режима.

В 1987 году в результате совместных усилий Microsoft и IBM появилась первая многозадачная операционная система для персональных компьютеров с процессором Intel 80286, в полной мере использующая возможности защищенного режима -- OS/2. Эта система была хорошо продуманна. Она поддерживала вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс и виртуальную машину для выполнения DOS-приложений.

В 80-е годы были приняты основные стандарты на коммуникационные технологии для локальных сетей: в 1980 году -- Ethernet, в 1985 -- Token Ring, в конце 80-х -- FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых операционных систем на нижних уровнях, а также стандартизовать интерфейс ОС с драйверами сетевых адаптеров.

1.6 Особенности современного этапа развития операционных систем

В 90-е годы практически все операционные системы, занимающие заметное место на рынке, стали сетевыми. Сетевые функции сегодня встраиваются в ядро ОС, являясь ее неотъемлемой частью. Операционные системы получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных сетей, а также средства для создания составных сетей.

В операционных системах используются средства мультиплексирования нескольких стеков протоколов, за счет которого компьютеры могут поддерживать одновременную сетевую работу с разнородными клиентами и серверами.

Во второй половине 90-х годов все производители операционных систем резко усилили поддержку средств работы с Интернетом. Кроме самого стека TCP/IP в комплект поставки начали включать утилиты, реализующие такие популярные сервисы Интернета, как telnet, ftp, DNS и Web.

Влияние Интернета проявилось и в том, что компьютер превратился из чисто вычислительного устройства в средство коммуникаций с развитыми вычислительными возможностями.

Особое внимание в течение всего последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым операционным системам. Их дальнейшее развитие представляет одну из наиболее важных задач и в обозримом будущем.

Корпоративная oпeрационная система отличается способностью хорошо и устойчиво работать в крупных сетях, которые характерны для больших предприятий, имеющих отделения в десятках городов и, возможно, в разных странах. Таким сетям органически присуща высокая степень гетерогенности программных и аппаратных средств, поэтому корпоративная ОС должна беспроблемно взаимодействовать с операционными системами разных типов и работать на различных аппаратных платформах.

Создание многофункциональной масштабируемой справочной службы является стратегическим направлением эволюции ОС. Такая служба нужна для превращения Интернета в предсказуемую и управляемую систему, например для обеспечения требуемого качества обслуживания трафика пользователей, поддержки крупных распределенных приложений, построения эффективной почтовой системы.

На современном этапе развития операционных систем на передний план вышли средства обеспечения безопасности. Это связано с возросшей ценностью информации, обрабатываемой компьютерами, а также с повышенным уровнем угроз, существующих при передаче данных по сетям, особенно по публичным, таким как Интернет. Многие операционные системы обладают сегодня развитыми средствами защиты информации, основанными на шифрации данных, аутентификации и авторизации.

Современным операционным системам присуща многоплатформенностъ, то есть способность работать на совершенно различных типах компьютеров. Многие операционные системы имеют специальные версии для поддержки кластерных архитектур, обеспечивающих высокую производительность и отказоустойчивость.

В последние годы получила дальнейшее развитие долговременная тенденция повышения удобства работы человека с компьютером. Эффективность работы человека становится основным фактором, определяющим эффективность вычислительной системы в целом.

Постоянно повышается удобство интерактивной работы с компьютером путем включения в операционную систему развитых графических интерфейсов, использующих наряду с графикой звук и видеоизображение. Пользовательский интерфейс операционной системы становится все более интеллектуальным, направляя действия человека в типовых ситуациях и принимая за него рутинные решения.

2. Задание по MathCAD №1 «Построение двумерных графиков в MathCAD»

2.1 Формулировка задания

Построить два графика. Вывести таблицу значений функции, заданной в параметрическом виде.

Таблица 1

Исходные данные

2.2 Результат - полученный график

Рисунок 1 - Задание 1

3. Задание по MathCAD №2 «Решение СЛАУ»

3.1 Формулировка задания

Найти решение СЛАУ:

1. с помощью обратной матрицы;

2. с помощью встроенной функции lsolve;

3. используя вычислительный блок Given-Find.

3.2 Результат - выполненное решение

Рисунок 2 - Задание 2

4. Задание по MathCAD №3 «Решение систем нелинейных уравнений»

4.1 Формулировка задания

Решить систему нелинейных уравнений.

Построить графики функций, задающих уравнения системы.

Графически убедиться в правильности решения.

операционный система сеть mathcad

4.2 Результат - выполненное решение

Рисунок 3 - Задание 3

5. Задание по MathCAD №4 «Решение нелинейных уравнений»

5.1 Формулировка задания

Найти решение нелинейного уравнения:

1. с помощью встроенной функции root;

2. с помощью встроенной функции polyroots;

5.2 Результат - выполненное решение

Рисунок 4 - Задание 4

Подобные документы

Особенности современного этапа развития операционных систем. Назначение операционных систем, их основные типы. Операционные системы мини-компьютеров. Принцип работы матричного принтера, проектирование и воспроизведение произвольных символов для них.

курсовая работа , добавлен 23.06.2011


Основные понятия об операционных системах. Виды современных операционных систем. История развития операционных систем семейства Windows. Характеристики операционных систем семейства Windows. Новые функциональные возможности операционной системы Windows 7.

курсовая работа , добавлен 18.02.2012


Эволюция и классификация ОС. Сетевые операционные системы. Управление памятью. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем. Семейство операционных систем UNIX. Сетевые продукты фирмы Novell. Сетевые ОС компании Microsoft.

творческая работа , добавлен 07.11.2007


Характеристика сущности, назначения, функций операционных систем. Отличительные черты их эволюции. Особенности алгоритмов управления ресурсами. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем, требования, предъявляемые к ОС XXI века.

курсовая работа , добавлен 08.01.2011


История разработок и совершенствования операционных систем компании Microsoft, их характеристика и отличительные признаки от систем других марок, преимущества и недостатки. Современное состояние и возможности операционных систем Microsoft и перспективы.

реферат , добавлен 22.11.2009


Назначение и основные функции операционных систем. Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ. Обслуживание всех операций ввода-вывода. Эволюция, классификация операционных систем. Формирование ведомости зарплаты, сортировка по отделам.

курсовая работа , добавлен 17.03.2009


Назначение, классификация, состав и назначение компонентов операционных систем. Разработка сложных информационных систем, комплексов программ и отдельных приложений. Характеристика операционных систем Windows, Linux, Android, Solaris, Symbian OS и Mac OS.

курсовая работа , добавлен 19.11.2014


Понятие и основополагающие функции операционных систем, их типовая структура и принцип действия. Краткая история становления и развития операционных систем Windows, их разновидности и общая характеристика, основные требования к аппаратным средствам.

презентация , добавлен 12.07.2011


Основные понятия операционных систем. Синхронизация и критические области. Сигналы и взаимодействие между процессами. Управление памятью. Драйверы устройств. Особенности современных операционных систем. Центральный процессор, микросхемы часов и таймеров.

учебное пособие , добавлен 24.01.2014


Понятие операционных систем, их классификация и разновидности, отличительные признаки и основные свойства. Содержание операционных систем, порядок взаимодействия и назначение их компонентов. Организация дискового пространства. Описание современных ОС.

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАТИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Информатика »

«Назначение, эволюция и классификация операционных систем»

Исполнитель:

Смертин Николай Олегович

Специальность Менеджмент организации

Группа 2 (ФНО)

№ зачетной книжки 10ММД46177 Руководитель:

Хохлова Ольга Александровна

Архангельск – 2011

Введение…………………………………………………………………………… 3

1. Назначение, эволюция и классификация операционных систем…………… 4

Введение……………………………………………………………………… 4

1.1. Назначение операционных систем…………………………………….. 5

1.2. Классификация операционных систем………………………………… 11

1.3. Эволюция операционных систем………………………………………. 13

Заключение…………………………………………………………………… 15

2. Практическая часть……………………………………………………………...16

2.1. Общая характеристика задачи………………………………………….. 16

2.2. Описание алгоритма решения………………………………………….. 18

Список литературы…………………………………………………………………21

Приложения………………………………………………………………………. 22

Введение

Выбор темы контрольной работы «Назначение, эволюция и классификация операционных систем» обусловлен тем, что операционные системы являются одним из важнейших компонентов современных компьютеров, и, в случае отсутствия данного компонента, персональный компьютер, каким мы его знаем сегодня, превращается в обычную печатную машинку. Благодаря новейшим операционным системам, работа на персональном компьютере становится легкой и доступной всем.

В ходе контрольной работы будут раскрыты вопросы назначения операционных систем, как комплекса взаимосвязанных системных программ; определены основные требования, предъявляемые к операционным системам; выделены те функции, которые присущи всем операционным системам; проведена основная классификация и раскрыт вопрос истории создания систем.

В практической части контрольной работы на основании исходных данных будет сформирована ведомость зарплаты организации. В ходе выполнения практической части будут использованы табличный процессор MS Excel, мастер сводных таблиц и диаграмм, изучены возможности функции ПРОСМОТР().

Работа выполненана ПКIntelPentiumIV – 2,4 ГГц/ 1024 МbRAM/ 80 GbHDD/ RW/DVD 52x32x52x/ FDD 1,44

Для выполнения работы использовались следующие программы:

1. Операционнаясистема – Microsoft Windows XP Professional

2. Текстовый редактор «MSWord – 2007»

3. Табличный процессор «MSExcel– 2007»

1. Назначение, эволюция и классификация операционных

систем.

План

Введение

1.1. Назначение операционных систем

1.2. Классификация операционных систем

1.3. Эволюция операционных систем

Заключение

Введение

Первые ПК не имели операционной системы и были похожи на игровые приставки: при включении компьютера в сеть процессор обращался к ПЗУ, в котором была записана программа поддержки несложного языка программирования. Подключив к компьютеру магнитофон можно было загрузить постороннюю программу. Загруженная программа отключала ПЗУ и далее работа компьютера происходила под управлением загруженной программы.

Серьезная необходимость в операционных системах возникла, когда к персональным компьютерам стали подключать дисководы. Дисковод отличается от магнитофона тем, что это устройство свободного доступа, а магнитофон – устройство последовательного доступа. С магнитного диска можно загрузить любую программу. Поэтому команды загрузки стали очень сложными. Надо было указывать номер дорожки и номер сектора, в котором находится то, что надо загрузить. Выход был найден. Была написана программа, которая переводит названия программ и файлов в номера дорожек и секторов. Человек мог загружать то, что ему нужно, пользуясь только названиями. Эта программа и стала дисковой операционной системой.

В дальнейшем операционные системы развивались параллельно с аппаратным обеспечениеми стали представлять собой совокупность программ, выполняющих две функции: предоставление пользователю удобств виртуальной машины и повышение эффективности использования компьютера при рациональном управлении его ресурсами. В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами.

1.1 Назначение операционных систем

Операционная система - это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого - организация взаимодействия пользователя с компьютером, управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования. Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности управления аппаратурой, образуя прослойку между ними, в результате чего люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, являетсясложная задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами, и сложность эта порождается в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. Операционная система организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, кругового обслуживания и т. д.

Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, многооконный графический интерфейс пользователя, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты к операционным системам предъявляются не менее важные эксплуатационныетребования:

· Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Поэтому операционные системы всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс;

· Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностъю;

· Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем, для которых наработана широкая номенклатура приложений. Некоторые из них пользуются широкой популярностью. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС;

· Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания;

· Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна как минимум иметь в своем составе средства определения легальности пользователей, предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, а так же обладать фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети;

· Производительность. Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет много факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе;

Рассматривая эволюцию операционных систем мы будем рассматривать, в первую очередь, историю развития вычислительных систем, потому что компьютерное железо(Hardware) и программное обеспечение (Software) эволюционировали совместно, оказывая взаимное влияние друг на друга.

Появление новых технических возможностей приводило к прорыву в области создания удобных, эффективных и безопасных программ, а свежие идеи в программной области стимулировали поиски новых технических решений. Именно эти критерии – удобство, эффективность и безопасность – играли роль факторов естественного отбора при эволюции вычислительных систем.

Выделяется четыре периода развития вычислительной техники и операционных систем, рассмотрим их более подробно.

1. Первый период (1945–1955 гг.)

Ламповые машины. Операционных систем нет

Мы начнем исследование развития компьютерных комплексов с появления электронных вычислительных систем (опуская историю механических и электромеханических устройств). Первые шаги в области разработки электронных вычислительных машин были предприняты в конце Второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства и появился принцип программы, хранящейся в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945 г.).

В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи , все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. За пультом мог находиться только один пользователь.

Программа загружалась в память машины в лучшем случае с колоды перфокарт, а обычно с помощью панели переключателей. Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка программ велась с пульта управления с помощью изучения состояния памяти и регистров машины.

В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение: в 1951–1952 гг. возникают прообразы первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает Ассемблер для IBM-701.

Существенная часть времени уходила на подготовку запуска программы, а сами программы выполнялись строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной обработкой данных .

В целом первый период характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных систем, их малым количеством и низкой эффективностью использования.

2. Второй период (1955 г.–начало 60-х)

Компьютеры на основе транзисторов. Пакетные операционные системы

С середины 50-х годов начался следующий период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы – полупроводниковых элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь машины могут непрерывно работать достаточно долго, чтобы на них можно было возложить выполнение практически важных задач. Снижается потребление вычислительными машинами электроэнергии, совершенствуются системы охлаждения. Размеры компьютеров уменьшились. Снизилась стоимость эксплуатации и обслуживания вычислительной техники. Началось использование ЭВМ коммерческими фирмами.

Одновременно наблюдается бурное развитие алгоритмических языков (LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). Появляются первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки математических и служебных подпрограмм . Упрощается процесс программирования. Пропадает необходимость взваливать на одних и тех же людей весь процесс разработки и использования компьютеров. Именно в этот период происходит разделение персонала на программистов и операторов , специалистов по эксплуатации и разработчиков вычислительных машин.

Большая электронно-счетная машина БЭСМ-6

Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и указывает необходимые ресурсы. Такая колода получает название задания . Оператор загружает задание в память машины и запускает его на исполнение. Полученные выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает их обратно через некоторое (довольно продолжительное) время.

Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку выполнения программ, в результате процессор часто простаивает. Для повышения эффективности использования компьютера задания с похожими ресурсами начинают собирать вместе, создавая пакет заданий.

Появляются первые системы пакетной обработки , которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и тем самым увеличивают коэффициент загрузки процессора .

При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями , с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине.

Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем , они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом

3. Третий период (начало 60-х – 1980 г.)

Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к началу 60-х – 1980 г. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам . Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами. Повышается производительность процессоров .

Повышению эффективности использования процессорного времени мешает низкая скорость работы механических устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 600 строк в минуту). Вместо непосредственного чтения пакета заданий с перфокарт в память начинают использовать его предварительную запись, сначала на магнитную ленту, а затем и на диск. Когда в процессе выполнения задания требуется ввод данных, они читаются с диска. Точно так же выходная информация сначала копируется в системный буфер и записывается на ленту или диск, а печатается только после завершения задания.

Вначале действительные операции ввода-вывода осуществлялись в режиме off-line, то есть с использованием других, более простых, отдельно стоящих компьютеров. В дальнейшем они начинают выполняться на том же компьютере, который производит вычисления, то есть в режиме on-line. Такой прием получает название spooling (сокращение от Simultaneous Peripheral Operation On Line ) или подкачки-откачки данных. Введение техники подкачки-откачки в пакетные системы позволило совместить реальные операции ввода-вывода одного задания с выполнением другого задания, но потребовало разработки аппарата прерываний для извещения процессора об окончании этих операций.

Магнитные ленты были устройствами последовательного доступа, то есть информация считывалась с них в том порядке, в каком была записана. Появление магнитного диска, для которого не важен порядок чтения информации, то есть устройства прямого доступа , привело к дальнейшему развитию вычислительных систем. При обработке пакета заданий на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась порядком их ввода. При обработке пакета заданий на магнитном диске появилась возможность выбора очередного выполняемого задания . Пакетные системы начинают заниматься планированием заданий: в зависимости от наличия запрошенных ресурсов, срочности вычислений и т.д. на счет выбирается то или иное задание.

Дальнейшее повышение эффективности использования процессора было достигнуто с помощью мультипрограммирования . Идея мультипрограммирования заключается в следующем: пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при однопрограммном режиме, а выполняет другую программу . Когда операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы.

Эта идея напоминает поведение преподавателя и студентов на экзамене. Пока один студент (программа) обдумывает ответ на вопрос (операция ввода-вывода), преподаватель (процессор ) выслушивает ответ другого студента (вычисления). Естественно, такая ситуация требует наличия в комнате нескольких студентов. Точно так же 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. (Студенты сидят за отдельными столами и не подсказывают друг другу.)

Появление мультипрограммирования требует настоящей революции в строении вычислительной системы. Особую роль здесь играет аппаратная поддержка (многие аппаратные новшества появились еще на предыдущем этапе эволюции), наиболее существенные особенности которой перечислены ниже.

• Реализация защитных механизмов .
  Программы не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных команд. Привилегированные команды, например команды ввода-вывода, могут исполняться только операционной системой . Говорят, что она работает в привилегированном режиме. Переход управления от прикладной программы к ОС сопровождается контролируемой сменой режима. Кроме того, это защита памяти, позволяющая изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а ОС – от программ пользователей.
• Наличие прерываний .
  Внешние прерывания оповещают ОС о том, что произошло асинхронное событие, например завершилась операция ввода-вывода.
  Внутренние прерывания (сейчас их принято называть исключительными ситуациями ) возникают, когда выполнение программы привело к ситуации, требующей вмешательства ОС , например деление на ноль или попытка нарушения защиты.
• Развитие параллелизма в архитектуре .
  Прямой доступ к памяти и организация каналов ввода-вывода позволили освободить центральный процессор от рутинных операций.

Не менее важна в организации мультипрограммирования роль операционной системы . Она отвечает за следующие операции.

• Организация интерфейса между прикладной программой и ОС при помощи системных вызовов .
• Организация очереди из заданий в памяти и выделение процессора одному из заданий потребовало планирования использования процессора .
• Переключение с одного задания на другое требует сохранения содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения задания, иначе говоря, контекста для обеспечения правильного продолжения вычислений.
• Поскольку память является ограниченным ресурсом, нужны стратегии управления памятью , то есть требуется упорядочить процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти.
• Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям пользователей.
• Поскольку программам может потребоваться произвести санкционированный обмен данными, необходимо их обеспечить средствами коммуникации .
• Для корректного обмена данными необходимо разрешать конфликтные ситуации , возникающие при работе с различными ресурсами и предусмотреть координацию программами своих действий, т.е. снабдить систему средствами синхронизации.

Мультипрограммные системы обеспечили возможность более эффективного использования системных ресурсов (например, процессора , памяти, периферийных устройств), но они еще долго оставались пакетными . Пользователь не мог непосредственно взаимодействовать с заданием и должен был предусмотреть с помощью управляющих карт все возможные ситуации. Отладка программ по-прежнему занимала много времени и требовала изучения многостраничных распечаток содержимого памяти и регистров или использования отладочной печати.

Появление электронно-лучевых дисплеев и переосмысление возможностей применения клавиатур поставили на очередь решение этой проблемы.

Логическим расширением систем мультипрограммирования стали time-sharing системы, или системы разделения времени . В них процессор переключается между задачами не только на время операций ввода-вывода, но и просто по прошествии определенного времени. Эти переключения происходят так часто, что пользователи могут взаимодействовать со своими программами во время их выполнения, то есть интерактивно. В результате появляется возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе. У каждого пользователя для этого должна быть хотя бы одна программа в памяти.

Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти . Основная часть программы находится на диске, и фрагмент, который необходимо в данный момент выполнять, может быть загружен в оперативную память, а ненужный – выкачан обратно на диск. Это реализуется с помощью механизма виртуальной памяти . Основным достоинством такого механизма является создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ.

В системах разделения времени пользователь получил возможность эффективно производить отладку программы в интерактивном режиме и записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры. Появление on-line-файлов привело к необходимости разработки развитых файловых систем.

Параллельно внутренней эволюции вычислительных систем происходила и внешняя их эволюция. До начала этого периода вычислительные комплексы были, как правило, несовместимы. Каждый имел собственную операционную систему , свою систему команд и т. д. В результате программу, успешно работающую на одном типе машин, необходимо было полностью переписывать и заново отлаживать для выполнения на компьютерах другого типа. В начале третьего периода появилась идея создания семейств программно совместимых машин , работающих под управлением одной и той же операционной системы .

Первым семейством программно совместимых компьютеров, построенных на интегральных микросхемах , стала серия машин IBM/360 . Разработанное в начале 60-х годов, это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. За ним последовала линия компьютеров PDP, несовместимых с линией IBM, и лучшей моделью в ней стала PDP-11.

Сила «одной семьи» была одновременно и ее слабостью. Широкие возможности этой концепции (наличие всех моделей: от мини-компьютеров до гигантских машин; обилие разнообразной периферии; различное окружение; различные пользователи) порождали сложную и громоздкую операционную систему . Миллионы строчек Ассемблера, написанные тысячами программистов, содержали множество ошибок, что вызывало непрерывный поток публикаций о них и попыток исправления.

Только в операционной системе OS/360 содержалось более 1000 известных ошибок. Тем не менее идея стандартизации операционных систем была широко внедрена в сознание пользователей и в дальнейшем получила активное развитие.

4. Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время)

Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы

Следующий период в эволюции вычислительных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС) . В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и снижение стоимости микросхем. Компьютер, не отличающийся по архитектуре от PDP-11, по цене и простоте эксплуатации стал доступен отдельному человеку, а не отделу предприятия или университета. Наступила эра персональных компьютеров.

Первоначально персональные компьютеры предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т. п.).

Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения.

Однако рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем .

В сетевых операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера, только они должны знать об их наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы , отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения не меняют структуру операционной системы .

Распределенная система , напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся – на локальной или удаленной машине – и где его программы выполняются. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.

В дальнейшем автономные операционные системы мы будем называть классическими операционными системами .

Просмотрев этапы развития вычислительных систем, мы можем выделить шесть основных функций , которые выполняли классические операционные системы в процессе эволюции:

• Планирование заданий и использования процессора .
• Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.
• Управление памятью.
• Управление файловой системой.
• Управление вводом-выводом.
• Обеспечение безопасности

Каждая из приведенных функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся структурным компонентом ОС . В каждой операционной системе эти функции, конечно, реализовывались по-своему, в различном объеме. Они не были изначально придуманы как составные части операционных систем , а появились в процессе развития, по мере того как вычислительные системы становились все более удобными, эффективными и безопасными.

Эволюция вычислительных систем, созданных человеком, пошла по такому пути, но никто еще не доказал, что это единственно возможный путь их развития. Операционные системы существуют потому, что на данный момент их существование – это разумный способ использования вычислительных систем. Рассмотрение общих принципов и алгоритмов реализации их функций и составляет содержание большей части нашего курса, в котором будут последовательно описаны перечисленные подсистемы.

В обобщении темы «Эволюция операционных систем» предлагается краткая таблица, в которой указаны основные вехи развития вычислительной техники и операционных систем.

Период	Развитие ОС
до 1955 г.	В XIX веке Чарльз Бэбидж предложил идею компьютера. Но технологии того времени не могли обеспечить изготовление деталей точной механики, которые были необходимы для этой машины. И его «аналитическая машина» так и не смогла заработать.В середине 40-х гг. XX в. появились ламповые вычислительные устройства. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач. Программирование таких вычислительных машин осуществлялось исключительно на машинном языке, и все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, не было.
1955 – 1965 гг.	Появление новой технической базы – полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. В эти годы появились первые алгоритмические языки , и первые системные программы – компиляторы . Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки , которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой, и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.
1965 – начало 70-х гг.	В технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам. Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были работать на больших и малых вычислительных системах с различными периферийными устройствами, и обеспечивать применение вычислительной системы в коммерческой области и в области научных исследований. ОС, удовлетворяющие всем требованиям, были громоздкими, сложными, они содержали множество ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. Примером такой ОС может служить OS/360 (фирма IBM).В этот период были реализованы почти все основные механизмы, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, разграничение доступа, работа в сети.Мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Мультипрограммирование было реализовано в системах пакетной обработки и в системах разделения времени . Для возможности работы с компьютером большого числа пользователей были разработаны многотерминальные системы , когда каждый пользователь работает за своим терминалом. Многотерминальный режим использовался и в системах разделения времени, и в системах пакетной обработки. При этом и пользователи, и оператор могли формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. В режиме мультипрограммирования каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом . Другое нововведение в машинах третьего поколения – спулинг (spooling) – способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел. В это время ОС стали неотъемлемой частью компьютеров, взявшей на себя большую часть действий по организации вычислительного процесса.
70-е – 1980 гг.	В начале 70-х гг. появились первые прототипы сетевых операционных систем , которые в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. К середине 70-х гг. получили большое распространение миникомпьютеры: Nova, PDP-11, HP. Их архитектура стала значительно проще, что упростило и операционные системы. ОС миникомпьютеров стали делать специализированными, например, только для управления в реальном времени (RT11 для PDP-11) или только для поддержания режима разделения времени. Эти операционные системы не были многопользовательскими.
1980 – 90-е гг.	Этот период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. Функционально они ничем не отличались от миникомпьютеров типа PDP-11, но цена у них была существенно ниже. Что позволило иметь собственный компьютер практически каждому человеку, а не отделу или институту. Компьютеры стали использоваться неспециалистами, что потребовало «дружественности» от программного обеспечения. На рынке операционных систем в эти годы доминировали две системы: MS-DOS и Unix. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486.Мультипрограммная многопользовательская ОС Unix использовалась, в основном, на «неинтеловских» компьютерах, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров. Все десятилетие происходило усовершенствование этой ОС, в результате чего стали появляться ее новые разновидности: SunOS, HP-UX, Irix, AIX.Значительное распространение персональных компьютеров послужило катализатором для бурного роста локальных сетей. Ещё одной важной разработкой этого десятилетия стало появление стека протоколов TCP/IP, становление Интернета, стандартизация технологий локальных сетей, и более интенсивное развитие сетевых операционных систем (OS-Net фирмы Nowell, OS/2 фирм Microsoft и IBM).
Современный этап развития ОС	В 90-е годы почти все ОС становятся сетевыми, способными работать с разнородными клиентами и серверами, поддерживают средства работы с Интернетом. Появляются специализированные сетевые ОС, предназначенные исключительно для выполнения коммуникационных задач, например, система IOS фирмы Cisco Systems работающая в маршрутизаторах. Особое место уделяется корпоративным ОС, им отводится основная роль в развитии ОС в ближайшем будущем. Такая ОС должна устойчиво работать в крупных сетях больших предприятий. Для корпоративных систем характерна высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде. К корпоративным ОС в настоящее время относят Windows 2000, Windows NT, различные Unix-системы.

Эволюция операционных систем состоит из следующих этапов:

• Последовательное выполнение заданий
• Простая пакетная обработка
• Мультипрограммирование в пакетных системах
• Разделение времени
• Современные ОС

Первая фаза развития ОС

Время ЭВМ дороже времени человека

• Один пользователь в один момент времени работает напрямую с консолью
• Первые «ОС» — общие библиотеки вв/выв
• Простой монитор пакетной обработки – убрать пользователя от компьютера. ОС – программа для загрузки и исполнения пользовательских заданий и сохранения результатов
• Каналы данных, прерывания, одновременное выполнение операций вв/выв и вычислений
• Защита памяти позволяет реализовывать многозадачность: несколько пользователей используют одну систему
• ОС должна управлять взаимодействием, параллельностью
• К середине 60х ОС становятся большими и сложными
• Область ОС становится важной дисциплиной со своими принципами

Вторая фаза развития ОС

Время человека дороже времени ЭВМ

• Интерактивное разделение времени: удобные файловые системы, проблемы с временем ответа
• Персональные компьютеры: они дешевые, поэтому каждый терминал – ПК
• Сеть позволяет организовать общий доступ и взаимодействие между машинами
• Встроенные устройства: компьютеры помещаются в сотовые телефоны, стерео проигрыватели, телевизоры и пр.
• Насколько там нужны сложные алгоритмы разделения времени.

Настоящее и будущее ОС

Будущее в научном развитии ОС

• Очень маленькие ОС (для мобильных устройств)
• Очень большие ОС (центр обработки данных, облачные вычисления)

Характеристики текущих ОС

• Огромные миллионы строк исходного кода, 100-1000 человеко-лет разработки
• Сложные: асинхронные, зависимые от аппаратного обеспечения, ориентированные на высокую производительность
• Плохо понимаемые

Направление исследований

Постоянно возникают новые направления исследований

• Встраиваемые системы (iPоd – плеер компании Apple потребовал разработки собственной унифицированной ОС)
• Системы сенсоров (очень низкое энергопотребление, жесткие требования в памяти)
• Одноранговые сети
• Беспроводные сети
• Маштабируемые системы, кластерные системы

Старые проблемы требуют новых подходов к решению

• Эволюция смартфонов повторяет эволюцию ПК, которая повторяла эволюцию миникомпьютеров, а они в свою очередь минифреймов

Здравствуйте, Хабралюди!
Не многие знают и не многие помнят, с чего началась история компьютерного софта - операционные системы. Именно эту тему и выбрал школьник для своей МАН-овской работы (МАН - малая академия наук). Звучит оно так - эволюция операционных систем. Сразу скажу, что более 90% из Тырнета, но откопано далеко не в первых 2-х страницах поиска в Гугле.

Вступление

Компьютерные технологии в последнее время сделали значительный скачок вперед, и скоро невозможно будет представить наши жизни без помощи компьютера. Но без операционной системы компьютер - лишь набор микросхем. Именно на базе операционной системы работают все программы, которые мы используем, именно от ОС в первую очередь будет зависеть скорость и производительность нашего труда на компьютере.

Современный компьютер состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, дисков, принтера, клавиатуры, мыши, монитора, сетевых интерфейсов и других различных устройств ввода-вывода. В итоге получается довольно сложная система. Если каждому программисту, который создает приложение, нужно будет разбираться во всех тонкостях работы всех этих устройств, то он не напишет ни строки кода. Более того, управление всеми этими компонентами и их оптимальное использование представляет собой очень непростую задачу. По этой причине компьютеры оснащены специальным уровнем программного обеспечения, который называется операционной системой, в задачу которого входит управление пользовательскими программами, а также управление всеми ресурсами железа.

Первая ОС

GM-НАА была первой операционной системой для компьютеров. Она была создана в 1955 году Робертом Патриком с General Motors и Оуэном Моком с North American Aviation. Она была основана на системном мониторе и работала на больших машинах. Основная функция GM-НАА - автоматическое выполнение новой программы, когда старая программа завершилась.

Возникновение Плато

В 1972 году была разработана система PLATO, которая имела ряд инноваций, таких как оранжевая плазменная панель. Она включала в себя память и функции растровой графики. Плазменный дисплей PLATO поддерживал возможность быстрой отрисовки векторных линий.Многие инноваций, ввела ОС PLATO, стали в дальнейшем фундаментом для разработки других компьютерных систем. Например, некоторые технологии были заимствованы и усовершенствованные компанией Apple.

Возникновение UNIX

Первая система UNIX была разработана в 1969 году в подразделении Bell Labs компании AT & T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем.Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя:
1) Использование текстовых файлов для настройки и управления системой;
2) Широкое применение утилит, запускаемых в командной строке;
3) Взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства - терминала;
4) Представление физических и виртуальных устройств как файлов.
Идеи, заложенные в основу UNIX, оказали огромное влияние на развитие компьютерных операционных систем. В настоящее время UNIX-системы признаны одними из самых исторически важных ОС. Эта операционная система популяризирует идею иерархической файловой системы с произвольной глубиной вложенности.

Linux

Linux была создана в 1991 году Линусом Торвальдсом, финским студентом. Тот факт, что Линус сразу после создания ОС выложил исходный код своей ОС в Интернет, был решающим в дальнейшей судьбе Linux. Хотя в 1991 году Интернет еще не был так широко распространен, как в наши дни, зато пользовались им в основном люди, которые имеют достаточную техническую подготовку. И уже с самого начала Торвальдс получил несколько заинтересованных отзывов с предложением помочь в разработке, на что Линус ответил согласием, и уже через полгода к разработке присоединились сотни, потом сотни тысяч добровольных помощников.В силу того, что исходные коды Linux распространяются свободно и общедоступно, к развитию системы с самого начала подключилось большое число независимых разработчиков.

MS-DOS

MS-DOS - коммерческая операционная система фирмы Microsoft для IBM PC-совместимых персональных компьютеров. MS-DOS работает в режиме реального времени процессора x86. Обеспечивается единовременное выполнение только одной программы. MS-DOS была спроектирована так, чтобы пользователи могли легко заменить встроенный интерпретатор посторонними интерпретаторами командной строки, например 4DOS.

Windows, куда ж без нее

В 1985 году появляется первая версия Windows, которая не была оценена пользователями и ее проигнорировали. Возможно потому, что она всего лишь дополняла возможности DOS, будучи фактически графической оболочкой и надстройкой над комплектом MS-DOS.
Со временем, система Windows все более совершенствовалась, появилась полноценная графика, лишила пользователей от видения системных файлов, был преодолен барьер многозадачности, что позволяет запустить 2-3 программы.В 1992 году с момента возникновения Windows 3.1, по мнению многих пользователей и профессионалов, новые возможности ОС были оценены по достоинству. С версии Windos3.1 ОС получила начало 32-разрядная доступность к жесткому диску.
В 1998 году, 25 июня, новая OC Windows 98 вышла на рынок потребителей. Преимуществом, по сравнению с предыдущими образцами, были: полная интеграция с Интернетом, более совершенное управление интерфейсом, новый процессор Pentium II, графический портал AGP, шина USB.
Параллельно с предыдущими, началась разработка системы Windows XP, где окончательно решено отказаться от 16-разрядности в ядре системы, и перейти на 32-разрядную, с новой архитектурой и строением. Из преимуществ новой системы необходимо отметить следующее: это первая из систем с полностью настраиваемым интерфейсом, внедрением интеллектуального меню «Пуск». Также оптимально переработана панель - управляющая ПК.
Появление после Widows XP новой системы Windows Vista считают самым неудачным вариантом после всех предыдущих выпусков ОС. Ее представляют, как «генеральную репетицию» перед Windows 7. Казалось бы, неплохие качества новой системы должны были заинтересовать пользователей. Такие новшевства как встроенный поиск, трехмерность интерфейса Aero с красивыми заставками, хорошую защиту - ничего не помогло, все выполнено крайне неудачно, по мнению пользователей.
Windows 7 мало чем кроме нового интерфейса отменялась от Vista. Вариантов Windows 7 выпущено 5: Starter Edition, домашняя базовая, домашняя расширенная, профессиональная, максимальная.
Windows 8 в отличие от своих предшественников - Windows 7 и Windows XP использует новый интерфейс под названием Modern(Metro). Также в системе присутствует и рабочий стол, но уже в виде отдельного приложения.

Мобильные ОС

Сейчас все больший интерес пользователей привлекают смартфоны на различных операционных системах: Windows Phone, Boda, IOS. Самыми популярными из них являются IOS и AndroidOS.

IOS

IOS - мобильная операционная система, созданная на ядре Linux и разрабатываемой и выпускаемой американской компанией Apple. Была выпущена в 2007 году изначально - для iPhone и iPod Touch. Сейчас же она установлена ​​на всех устройствах Apple. Такие нововведения как мобильный браузер Safari, визуальная голосовая почта, виртуальная клавиатура сделали IOS одной из наиболее популярных систем для смартфонов.

Андроид

Андроид - система, которая наиболее динамично развивается, разработанна для смартфонов(изначально для коммунникаторов(Айфон и его тачскрин изменили мнение Гугла)). Она является упрощенным вариантом аналогичных систем Windows и Linux, используемых на стационарных ПК и ноутбуках, ориентированной для тачскрина. Платформа Андроид состоит из операционной системы, интерфейса, связывающего ПО и мощных приложений.

Google Chrome OS (облачная ОС)

Chrome OS позиционируется как операционная система для различных устройств - от маленьких нетбуков до полноразмерных настольных систем и поддерживает x86-и ARM-архитектуры процессоров.
Новая ОС Google Chrome имеет открытый исходный код, основанный на оптимизированном Linux-ядре и управляется браузером Chrome.Главной особенностью будет доминирование веб-приложений над обычными функциями ОС. Ключевая роль при этом отводится браузеру.
Стратегия создания нового продукта подразумевает архитектуру, нетребовательную к аппаратным ресурсам персонального компьютера, используемого для выхода в сеть Интернет.
Все приложения, которые запускает система - веб-сервисы. Фактически, все действия, проходящих в на компьютере, выполняются в Интернете - нет необходимости устанавливать никаких офлайновых приложений. В связи с этим работа в Chrome OS не требует наличия у компьютера мощных ресурсов, ведь все процессы запускаются не на самом компьютере, а на серверах соответствующих служб.

Предсказания ворожеи

Операционная система пользователя становится чем-то похожим на веб-браузер, установленной на голое железо. Современный классический интерфейс (разработанный в Xerox PARC и впервые внедрен Apple почти 30 лет назад) отойдет в прошлое. Многие современные составных частей ОС станут просто не нужны, другие уйдут от пользователя и превратятся в сервисы API для программистов. Основным задачей ОС станет предоставление возможности запуска клиентской части облачных сервисов. И преимущества, которыми Microsoft в современном мире ОС, будет значительно уменьшены. Им придется придумывать новые способы привязки к себе пользователей и программистов в новом среде, более конкурентной, в сравнению с нынешней.
Многое зависит от решений, успехов и неудач крупных софтверных компаний, таких как Microsoft, Google. В отличие от той эволюции софта, которую мы наблюдали в девяностых и двухтысячных, новая эволюция все меньше зависет от производителей железа, и все больше - от производителей конечного ПО для пользователей.

За криворукость не ругать, если что - поправлять, автора не матюкать.

Теги: операционные системы, история ит

Введение

1. Эволюция ОС

1.1 Первый период (1945 -1955)

1.2 Второй период (1955 - 1965)

1.3 Третий период (1965 - 1980)

1.4 Четвертый период (1980 - настоящее время)

2. Классификация ОС

2.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами

2.2 Особенности аппаратных платформ

2.3 Особенности областей использования

2.4 Особенности методов построения

3. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем, требования, предъявляемые к ОС XXI века

Заключение

Список использованной литературы

Введение

История любой отрасли науки или техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений этой отрасли, осознать существующие тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития. За почти полувековой период своего существования операционные системы прошли сложный путь, насыщенный многими важными событиями. Огромное влияние на развитие операционных систем оказали успехи в совершенствовании элементной базы и вычислительной аппаратуры, поэтому многие этапы развития ОС тесно связаны с появлением новых типов аппаратных платформ, таких как мини-компьютеры или персональные компьютеры. Серьезную эволюцию операционные системы претерпели в связи с новой ролью компьютеров в локальных и глобальных сетях. Важнейшим фактором развития ОС стал Интернет. По мере того как эта Сеть приобретает черты универсального средства массовых коммуникаций, ОС становятся все более простыми и удобными в использовании, включают развитые средства поддержки мультимедийной информации, снабжаются надежными средствами защиты.

Целью данной курсовой работы является - описание и анализ эволюции операционных систем.

Поставленная цель решается посредством следующих задач:

Рассмотреть исторический аспект появления операционных систем;

Выделить и рассмотреть этапы эволюции операционных систем.

Необходимо отметить тот факт, не достаточно освещалась в литературе, что затруднило ее изучение.

В ходе исследования проведен краткий анализ таких источников как материалы сайта http://www.microsoft.com/rus, материалы журнала «Windows NT Magazine», и другие.

Работа состоит из трех глав введения, заключения и списка использованной литературы.

1 . Эволюция ОС

1.1 Первый период (1945 -1955)

Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэбиджем в конце восемнадцатого века. Его "аналитическая машина" так и не смогла но настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники. Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.

Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин произошел после второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

1.2 Второй период (1955 - 1965)

С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационников и разработчиков вычислительных машин.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

1.3 Третий период (1965 - 1980)

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

1.4 Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP-11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486. Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "не-интеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

В сетевых ОС пользователи должны быть осведомлены о наличии других компьютеров и должны делать логический вход в другой компьютер, чтобы воспользоваться его ресурсами, преимущественно файлами. Каждая машина в сети выполняет свою собственную локальную операционную систему, отличающуюся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

2. Классификация ОС

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Ниже приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.

2.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

2. 2 Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.

2. 3 Особенности областей использования

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

системы пакетной обработки (например, OC EC),

системы разделения времени (UNIX, VMS),

системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

2. 4 Особенности методов построения

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.

К таким базовым концепциям относятся:

Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структуризованность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.

Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.

Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

3. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем, требования, предъявляемые к ОС XXI века

Операционная система является сердцевиной сетевого программного обеспечения, она создает среду для выполнения приложений и во многом определяет, какими полезными для пользователя свойствами эти приложения будут обладать. В связи с этим рассмотрим требования, которым должна удовлетворять современная ОС.

Очевидно, что главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна реализовывать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, поддерживать многооконный интерфейс, а также выполнять многие другие, совершенно необходимые функции. Кроме этих функциональных требований к операционным системам предъявляются не менее важные рыночные требования. К этим требованиям относятся:

· Расширяемость. Код должен быть написан таким образом, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить целостность системы.

· Переносимость. Код должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа.

· Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны быть в состоянии наносить вред ОС.

· Совместимость. ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем. Кроме того, пользовательский интерфейс должен быть совместим с существующими системами и стандартами.

· Безопасность. ОС должна обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других.

· Производительность. Система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.

Рассмотрим более подробно некоторые из этих требований.

Расширяемость В то время, как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Примером может служить ОС UNIX. Поэтому операционные системы всегда эволюционно изменяются со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно представляют собой приобретение ею новых свойств. Например, поддержка новых устройств, таких как CD-ROM, возможность связи с сетями нового типа, поддержка многообещающих технологий, таких как графический интерфейс пользователя или объектно-ориентированное программное окружение, использование более чем одного процессора. Сохранение целостности кода, какие бы изменения не вносились в операционную систему, является главной целью разработки.

Расширяемость может достигаться за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Новые компоненты могут быть добавлены в операционную систему модульным путем, они выполняют свою работу, используя интерфейсы, поддерживаемые существующими компонентами.

Использование объектов для представления системных ресурсов также улучшает расширяемость системы. Объекты - это абстрактные типы данных, над которыми можно производить только те действия, которые предусмотрены специальным набором объектных функций. Объекты позволяют единообразно управлять системными ресурсами. Добавление новых объектов не разрушает существующие объекты и не требует изменений существующего кода.

Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг-серверов. Основная часть ОС может оставаться неизменной в то время, как могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые.

Средства вызова удаленных процедур (RPC) также дают возможность расширить функциональные возможности ОС. Новые программные процедуры могут быть добавлены в любую машину сети и немедленно поступить в распоряжение прикладных программ на других машинах сети.

Некоторые ОС для улучшения расширяемости поддерживают загружаемые драйверы, которые могут быть добавлены в систему во время ее работы. Новые файловые системы, устройства и сети могут поддерживаться путем написания драйвера устройства, драйвера файловой системы или транспортного драйвера и загрузки его в систему.

Переносимость Требование переносимости кода тесно связано с расширяемостью. Расширяемость позволяет улучшать операционную систему, в то время как переносимость дает возможность перемещать всю систему на машину, базирующуюся на другом процессоре или аппаратной платформе, делая при этом по возможности небольшие изменения в коде. Хотя ОС часто описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, переносимость - это не бинарное состояние. Вопрос не в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода - нужно следовать некоторым правилам.

Во-первых, большая часть кода должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах, куда вы хотите переносить систему. Обычно это означает, что код должен быть написан на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например, на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является переносимой, если только вы не собираетесь переносить ее на машину, обладающую командной совместимостью с вашей.

Во-вторых, следует учесть, в какое физическое окружение программа должна быть перенесена. Различная аппаратура требует различных решений при создании ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, не может быть перенесена на машину с 16-битовыми адресами (разве что с огромными трудностями).

В-третьих, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами.

В-четвертых, если аппаратно зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в программно-задаваемые данные абстрактного типа. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют.

Для легкого переноса ОС при ее разработке должны быть соблюдены следующие требования:

· Переносимый язык высокого уровня. Большинство переносимых ОС написано на языке С (стандарт ANSI X3.159-1989). Разработчики выбирают С потому, что он стандартизован, и потому, что С-компиляторы широко доступны. Ассемблер используется только для тех частей системы, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, обработчик прерываний) или для частей, которые требуют максимальной скорости (например, целочисленная арифметика повышенной точности). Однако непереносимый код должен быть тщательно изолирован внутри тех компонентов, где он используется.

· Изоляция процессора. Некоторые низкоуровневые части ОС должны иметь доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам. Однако код, который делает это, должен содержаться в небольших модулях, которые могут быть заменены аналогичными модулями для других процессоров.

· Изоляция платформы. Зависимость от платформы заключается в различиях между рабочими станциями разных производителей, построенными на одном и том же процессоре (например, MIPS R4000). Должен быть введен программный уровень, абстрагирующий аппаратуру (кэши, контроллеры прерываний ввода-вывода и т. п.) вместе со слоем низкоуровневых программ таким образом, чтобы высокоуровневый код не нуждался в изменении при переносе с одной платформы на другую.

Совместимость Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах.

Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор, на который переносится ОС, использует тот же набор команд (возможно с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута достаточно просто.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, DOS-программу на Mac), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Например, процессор типа 680x0 на Mac должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 80x86 в PC. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86.

Это простая, но очень медленная работа, так как микрокод внутри процессора 80x86 исполняется на значительно более быстродействующем уровне, чем эмулирующие его внешние команды 680x0. За время выполнения одной команды 80x86 на 680x0, реальный 80x86 может выполнить десятки команд. Следовательно, если процессор, производящий эмуляцию, не настолько быстр, чтобы компенсировать все потери при эмуляции, то программы, исполняющиеся под эмуляцией, будут очень медленными.

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.

Соответствие стандартам POSIX также является средством обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов. Во второй половине 80-х правительственные агентства США начали разрабатывать POSIX как стандарты на поставляемое оборудование при заключении правительственных контрактов в компьютерной области. POSIX - это "интерфейс переносимой ОС, базирующейся на UNIX". POSIX - собрание международных стандартов интерфейсов ОС в стиле UNIX. Использование стандарта POSIX (IEEE стандарт 1003.1 - 1988) позволяет создавать программы стиле UNIX, которые могут легко переноситься из одной системы в другую.

Безопасность В дополнение к стандарту POSIX правительство США также определило требования компьютерной безопасности для приложений, используемых правительством. Многие из этих требований являются желаемыми свойствами для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов (таких как память).

Обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа является обязательной функцией сетевых операционных систем. В большинстве популярных систем гарантируется степень безопасности данных, соответствующая уровню С2 в системе стандартов США.

Основы стандартов в области безопасности были заложены "Критериями оценки надежных компьютерных систем". Этот документ, изданный в США в 1983 году национальным центром компьютерной безопасности (NCSC - National Computer Security Center), часто называют Оранжевой Книгой.

В соответствии с требованиями Оранжевой книги безопасной считается такая система, которая "посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полномочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации".

Иерархия уровней безопасности, приведенная в Оранжевой Книге, помечает низший уровень безопасности как D, а высший - как А.

· В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов.

· Основными свойствами, характерными для С-систем, являются: наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. Уровень С делится на 2 подуровня: уровень С1, обеспечивающий защиту данных от ошибок пользователей, но не от действий злоумышленников, и более строгий уровень С2. На уровне С2 должны присутствовать средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе. Избирательный контроль доступа, требуемый на этом уровне позволяет владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать. Владелец делает это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей. Средства учета и наблюдения (auditing) - обеспечивают возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопасностью, или любые попытки создать, получить доступ или удалить системные ресурсы. Защита памяти - заключается в том, что память инициализируется перед тем, как повторно используется. На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но поведение его может быть проконтролировано по записям в журнале, оставленным средствами наблюдения и аудитинга.

· Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользователей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа. Каждому пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя.

· Уровень А является самым высоким уровнем безопасности, он требует в дополнение ко всем требованиям уровня В выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности.

Различные коммерческие структуры (например, банки) особо выделяют необходимость учетной службы, аналогичной той, что предлагают государственные рекомендации С2. Любая деятельность, связанная с безопасностью, может быть отслежена и тем самым учтена. Это как раз то, что требует С2 и то, что обычно нужно банкам. Однако, коммерческие пользователи, как правило, не хотят расплачиваться производительностью за повышенный уровень безопасности. А-уровень безопасности занимает своими управляющими механизмами до 90% процессорного времени. Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе. Например для ОС Solaris (версия UNIX) есть несколько тысяч приложений, а для ее аналога В-уровня - только сотня.

Заключение

История ОС насчитывает примерно полвека. Она во многом определялась и определяется развитием элементной базы и вычислительной аппаратуры. Первые цифровые вычислительные машины, появившиеся в начале 40-х годов, работали без операционных систем, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления

Прообразом современных операционных систем явились мониторные системы середины 50-х, которые автоматизировали действия оператора по выполнению пакета заданий

В период 1965-1975 гг. были реализованы практически все основные концепции, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, многотерминальный режим, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа

С середины 70-х началось массовое использование UNIX, уникальной для того времени ОС, которая сравнительно легко переносилась на различные типы компьютеров.

Начало 80-х годов связано с появлением персональных компьютеров. Это потребовало разработки «дружественного интерфейса», Персональные компьютеры способствовали бурному росту локальных сетей, в результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

В 90-е годы практически все ОС, занимающие заметное место на рынке стали сетевыми. ОС получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных (Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI) и глобальных (ISDN, ATM) сетей. Особое внимание в течение последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым операционным системам. Они отличаются способностью хорошо и устойчиво работать в крупных сетях, которые характерны для крупных предприятий, способностью беспроблемно работать на различных аппаратных платформах.