Александр Кручинин - Операционные системы

Операционных систем очень много и не всем они известны. Далее рассмотрено 7 видов различных операционных систем по уровню от большого к малому.

Операционные системы мэйнфреймов

Мэйнфрейм – высокопроизводительный компьютер общего назначения со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для выполнения интенсивных вычислительных работ. Обычно это компьютеры размером с комнату и их нахождение – в крупных корпорациях. Обычно мэйнфреймы содержат тысячи дисков и терабайты оперативной памяти.

Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуются огромное количество операций ввода-вывода. Система должна отвечать на тысячи запросов в секунду. Примером является OS/390, произошедшая от операционной системы 3-го поколения OS/360.

Серверные операционные системы

Данные операционные системы работают на серверах, которые представляют из себя персональный компьютер, рабочую станцию или даже мэйнфрейм. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. К таким операционным системам относятся Unix, Linux, Windows 2003 Server и др.

Многопроцессорные операционные системы

Данные системы применяются на компьютерах с несколькими центральными процессорами. Для них требуются специальные операционные системы, но обычно они представляют собой модификации серверных операционных систем.

Операционные системы для персональных компьютеров

Главный критерий этих систем – удобный интерфейс для одного пользователя. Наиболее известные системы: серии Windows 98, 2000, XP, Vista; Macintosh, Linux.

Операционные системы реального времени

Главный параметр этих систем – время. В системах управления промышленным процессом необходимо четко синхронизировать время работы конвейера, различных промышленных роботов. Это жесткая система реального времени. Есть и гибкие системы реального времени – в ней допустимы пропуски сроков выполнения операции, например мультимедийные системы. К операционным системам реального времени относятся VxWorks и QNX.

Встроенные операционные системы

К ним относятся операционные системы «карманных компьютеров» PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник). Кроме того, встроенные системы работают на машинах, в телевизорах, мобильных телефонах. В этих операционных системах обычно присутствуют все характеристики операционных систем реального времени с ограничением памяти, мощности и т.п. Примеры систем – PalmOS, Windows CE.

Операционные системы для смарт-карт

Смарт-карта – устройство размером с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие системы налагаются жесткие ограничения по мощности и памяти. Некоторые управляют только одной операцией – электронным платежом к примеру. Отдельные смарт-карты включают в себя поддержку виртуальной машины Java.

Операционная система тесно связана с оборудованием компьютера, на котором она должна работать. Аппаратное обеспечение влияет на набор команд операционной системы и управление его ресурсами. Концептуально простой компьютер можно представить в виде модели, показанной на рисунке 1 [14]. Такая структура использовалась на первых моделях IBM PC.

Рисунок 1 – Некоторые компоненты персонального компьютера

На рисунке центральный процессор, память, устройства ввода-вывода соединены системной шиной, по которой они обмениваются информацией.

Процессор

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU – Central Processing Unit). Он выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы процессора выглядит так: читается первая команда из памяти, декодируется для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считывает, декодирует последующие команды. Таким образом осуществляется выполнение программ.

Для каждого процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Поскольку доступ к памяти для получения команд или набор данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, то все процессоры содержат внутренние регистры для хранения переменных и промежуточных результатов. Поэтому набор инструкций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохранение слова из регистра в память. Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных, большинство процессоров имеет несколько специальных регистров, используемых для хранения переменных, а также специальных регистров, видимых для программистов.

При временном мультиплексировании процессора операционная система останавливает работающую программу для запуска другой. Каждый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все регистры процессора, чтобы позже, когда прерванная программа продолжит свою работу, их можно было восстановить.

Для повышения быстродействия CPU их разработчики отказались от простой модели, когда за один такт может быть считана, декодирована, выполнена только одна команда. Современные процессоры обладают возможностью выполнения нескольких команд одновременно.

Большинство CPU имеет два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию. В противоположность этому, пользователи работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества программ и делающем доступным лишь часть аппаратных средств.

Память

Второй основной составляющей любого компьютера является память. В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работу процессора не замедляло обращение к памяти достаточно большой и чрезвычайно дешевой). На сегодня не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям. Поэтому имеется другой подход.

Система памяти конструируется в виде иерархии слоев [13], которые иллюстрируются на рисунке 2. По мере продвижение по иерархии сверху вниз возрастают два параметра: время доступа, объём памяти.

Верхний слой состоит из внутренних регистров CPU, поэтому при доступе к ним не возникает задержек. Внутренние регистры хранят менее 1Кб информации. Программы могут управлять регистрами без вмешательства аппаратуры. Доступ к регистрам быстрее всего – несколько наносекунд.