Основные принципы построения ОС

Лекция 2

Основные принципы построения ОС

1

Принципы построения ОС

Не существует какой-либо единой архитектуры операционных систем, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.

1

Принцип модульности

Это один из наиболее важных принципов построения ОС.

Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру. Она должна разделяться на части — модули.

1

Принцип модульности

Каждый модуль должен выполнять определенную функцию и иметь стандартную структуру.

Между модулями должны быть установлены правила взаимодействия.

1

Принцип модульности

Модуль — это функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятым взаимодействием с другими модулями.

Модули ОС

Ядро

Вспомогательные модули

5

Ядро ОС

Ядро ОС (kernel) — модули, исполняющие базовые функции, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса.

Ядро - это центральный компонент операционной системы.

!

5

Ядро ОС

► связывает между собой программное обеспечение и аппаратное обеспечение;

► отвечает за управление всеми процессами, памятью, файлами и т. д.;

► всегда располагается по одним и тем же адресам в оперативной памяти.

5

Вспомогательные модули

Вспомогательные модули – это модули, загружаемые в память только при необходимости.

Например: утилиты обслуживания диска, текстовые и графические редакторы ОС, графические пользовательские интерфейсы и др.

5

Программные модули

Программные модули могут быть:

► Однократно используемыми : могут быть правильно выполнены только один раз, т.е. в процессе выполнения они могут испортить себя (повреждается часть кода или исходные данные).

► Многократно используемые.

5

Многократно используемые программные модули

► Привилегированные: работают в привилегированном режиме, никакие внешние события не могут нарушить порядок их выполнения.

► Реентерабельные модули ( reenterable): допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный запуск.

► Повторно-входимые (re-entrance): допускают многократное параллельное использование, не допускают прерываний.

5

Принцип генерируемости

Возможность генерации оптимального варианта ОС для решения круга задач.

Осуществляется с помощью:

◘ программы-генератора

◘ соответствующего входного языка для этой программы.

Результат генерации — полная версия ОС (совокупность системных наборов модулей и данных).

Входной язык для программы-генератора описывает программные возможности системы и конфигурацию машины

5

Принцип функциональной избирательности

Выделение некоторых модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для повышения производительности.

Модули входящие с состав ядра системы должны постоянно находятся в памяти.

5

Принцип функциональной избирательности

При формировании состава ядра требуется учитывать требования:

► В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули.

► Количество модулей должно быть таким, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был не слишком большим.

5

Принцип функциональной избыточности

Возможность проведения одной и той же работы различными средствами.

Позволяет быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечить максимальную производительность.

Например: Наличие возможности использования нескольких типов мониторов, систем управления файлами и т.д.

5

Принцип перемещаемости

Предусматривает построение модулей, при котором результаты работы не зависит от места расположения в оперативной памяти.

5

Принцип виртуализации

ОС может создавать виртуальные ресурсы и распределять их .

Виртуализация ресурсов позволяет:

► разделять между вычислительными процессами ресурсы, которые не должны разделяться;

► отвлечься от конкретных ресурсов, максимально обобщить их свойства и работать с некоторой абстракцией, вобравшей в себя наиболее значимые особенности.

Структура системы представляется в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

5

Принцип виртуализации

Примером концепции виртуальности является понятие виртуальной машины.

Виртуальные машины  — это программные компьютеры, которые предоставляют все возможности физических компьютеров. Они используются как другие компьютерные системы.

5

Принцип независимости программ от внешних устройств

Связь программы с внешним устройством устанавливается на этапе планирования ее исполнения.

Программа сообщает ОС о потребности в ресурсах.

5

Принцип совместимости

Обеспечивает совместимость ОС с программами, написанными для других ОС или под другие аппаратные платформы.

Совместимость:

► на уровне исходных текстов программ (необходим транслятор и совместимость на уровне системных вызовов и библиотек);

► на уровне исполняемых файлов (необходим эмулятор).

5

Принцип открытости и наращиваемости

Открытая ОС доступна для анализа пользователем и системным программистом.

Наращиваемая ОС позволяет вводить в состав новые модули, модернизировать существующие и т. д., не нарушая целостность системы.

5

Принцип мобильности (переносимости)

ОС должна легко устанавливаться с одного процессора на другой, с одной аппаратной платформы на другую.

ОС должна быть написана на распространенном и технологичном языке системного программирования.

5

Принцип безопасности вычислений

Правила безопасности защищают ресурсы одного пользователя от другого и распределяют ресурсы так, чтобы они не были захвачены одним пользователем.

Безопасной считается система, которая с помощью специальных механизмов контролирует доступ к информации так, что доступ к ней получают только лица с соответствующими полномочиями или процессы, выполняющиеся от их имени.

5

Требования

к современным ОС

Выполнение основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ.

Современная ОС должна поддерживать

- виртуальную память

- многооконный графический интерфейс

- мультипрограммную обработку

и т.д.

5

Архитектура ОС: монолитная

Операционная система не имеет какой-либо явно выраженной внутренней структуры.

Это просто набор процедур, использующих общие глобальные данные, и вызываемые друг другом или пользователем.

Все вместе, все библиотеки, сервисные функции в одном ядре.

Преимущества:

Производительность

Недостатки: 

Неустойчивость к сбоям

MS DOS

Некоторые Unix

Novel NetWare

5

Архитектура ОС: многоуровневые системы

ОС реализуется как иерархии уровней.

Уровни образуются группами функций ОС. Каждый из уровней может взаимодействовать только со своими «соседями».

Позволяет независимо работать, менять и отлаживать ОС.

Если уровни строго разделены:

+ можно над ними независимо работать

+ можно независимо заменять

Сложность возникает в разделении на уровни

THE

MULTICS

5

Архитектура ОС:

виртуальные машины

ОС реализует виртуальную машину для каждого пользователя. Каждая такая виртуальная машина предстает перед пользователем как совокупность периферийных устройств. Такой подход позволяет каждому пользователю загрузить свою операционную систему на виртуальную машину.

Недостаток – низкая эффективность по сравнению с реальным компьютером.

Microsoft Virtual PC

5

Архитектура ОС:

микроядерная

Большинство составляющих ОС являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром.

Минимизировать само ядро, вынести как можно функциональности в режим пользователя

QNX

Частично Mac OSX

5

Архитектура ОС:

смешанная

В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов.

Например:

ядро операционной системы Linux

=

монолитная система

+

микроядерная архитектура.

Linux

Windows

5

Задание

С помощью сервиса https://quizizz.com (или аналогичного) создайте тест по 1 и 2 лекциям. Требования к тесту:

• Не менее 15 вопросов.
• Корректная формулировка вопросов и ответов.
• Неверные ответы на вопросы не должны быть очевидными.
• Вы должны уметь верно отвечать на вопросы своего теста.
• Результат работы покажите преподавателю.

5