Архитектура операционных систем. Лекция 1 – введение

1. Архитектура операционных систем Лекция 1 – введение

АРХИТЕКТУРА
ОПЕРАЦИОННЫХ
СИСТЕМ
ЛЕКЦИЯ 1 – ВВЕДЕНИЕ

2.

В этой лекции…
• Организационная часть
• Обзор курса
• Общая структура курса
• Правила
• Операционные системы
• Что это?

3. Литература к курсу (основная)

ЛИТЕРАТУРА К КУРСУ
(ОСНОВНАЯ)
1.Таненбаум Э. Современные операционные системы. 2-е издание, 2003г
2.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. – СПБ.: “Питер”, 2001. –
544с.:ил. ISBN 5-272-00120-6.
3.Столлингс В. Операционные системы. – М.: Издательский дом “Вильямс”. 2002. –
848с.
4.Гордеев А.В. Операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд.- СПб. : Питер,
2004. -416 с.: ил ISBN 5-94723-632-X
5.Назаров С.В. Операционные среды, системы и оболочки. Основы структурной и
функциональной организации: Учеб. Пособие. – М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2007, -504 с.

4. Литература к курсу (дополнительная)

ЛИТЕРАТУРА К КУРСУ
(ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ)
1. Соломон Д. и Русинович М. Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000.
Мастер – класс / Пер. с англ. –СПб.: Питер; М.: Издательско – торговый дом
“Русская Редакция” 2001. –752 стр.: ил. ISBN 5-318-00545-4
2. Иртегов Д.В. Введение в операционные системы. –СПб.: ВХВ – Петербург,
2002.- 624 стр. ISBN 5-94157-135-6
3. Соловьев Г.Н., Никитин В.Д. Операционные системы ЭВМ. - М.: Высш. шк.,
1989. - 255 с.
4. Фролов А.В., Фролов Г.В. Библиотека системного программиста. MS-DOS для
программиста. Тома 18, 19. Москва, ДИАЛОГ-МИФИ, 1995.

5. Литература к курсу (дополнительная)

ЛИТЕРАТУРА К КУРСУ
(ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ)
1. Фролов А.В., Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение персонального компьютера. М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. -304 с. -(Библиотека системного программиста; т. 33).
2. Гук М. Дисковая подсистема ПК. –СПб.:Питер, 2001. 336 с.:ил. ISBN 5-318-00044-4
3. Гранже М., Менсье Ф. OS/2 : Принципы построения и установка.- М.: Мир, 1991.
4. Григорьев В.Л. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование (в 4-х книгах).
–М.: ГРАНАЛ.1993.
5. Минаси М., Камарда Б. OS/2 Warp изнутри. – СПб: “Питер”, 1996.
6. Гук М. Процессоры Pentium II, Pentium Pro и просто Pentium. – СПб: “Питер”, 1999.
7. Бек Л. Введение в системное программирование. -М: Мир, 1988.
8. Касаткин А.И. Профессиональное программирование на языке Си. Системное
программирование. -Мн.: Выш. шк. 1993. - 301 с.
9. Касаткин А.И. Профессиональное программирование на языке Си. Управление
ресурсами: Справ. пособие. -Мн.: Выш. шк. 1992. - 432 с.

6.

Обзор курса.
• Что вы узнаете из этого курса?
• Основные компоненты большинства ОС
• Архитектура ОС
• Наиболее важные интерфейсы и алгоритмы
• Как сделаны популярные, современные ОС
• Как сделаны малоизвестные, исследовательские ОС
• Зачем?
• Большинство из вас не будет разрабатывать ОС
• Но любой C sc. или инженер должен понимать основы, или «как оно работает»
• Знания из этого курса помогут понять, как сделать лучшее ПО, и найти лучший
компромисс при разработке ПО.
• Это интересно

7. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Интерфейс пользователя в консольном режиме
2. Автоматизация работы в консоли Windows с помощью командных
файлов.
3. Управление системой. Реестр Windows XP.
4. Организация данных на дисках и файловые системы FAT.
5. Управление памятью в консоли Windows.
6. Организация многопоточности и управление памятью в Windows.
7. Основы работы Windows и представление символьных данных
(СВР) – самостоятельно (вне расписания) выполняемая работа

8. Часть I. Обзор

ЧАСТЬ I. ОБЗОР
8

9. Структура вычислительной системы и место курса в общем цикле курсов по информатике

СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
И МЕСТО КУРСА В ОБЩЕМ ЦИКЛЕ КУРСОВ ПО
ИНФОРМАТИКЕ
Пользователь
Алгоритмы
и алгоритмические языки
Прикладные
программы
Системные
программы
Прочие
системные программы
Операционная система
Основы операционных систем
Техническое
обеспечение
Архитектура ЭВМ
и язык ассемблера
9

10. Что такое операционная система ?

ЧТО ТАКОЕ ОПЕРАЦИОННАЯ
СИСТЕМА ?
Основные точки зрения
• РАСПОРЯДИТЕЛЬ РЕСУРСОВ
• ЗАЩИТНИК ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ И ПРОГРАММ
• ВИРТУАЛЬНАЯ МАШИНА
• КОТ В МЕШКЕ
• ПОСТОЯННО ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЕ ЯДРО
Проще сказать, не что такое есть
операционная система, а для чего она
нужна, и что она делает
10

11. Краткая история эволюции вычислительных систем

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1-й период (1945 г. – 1955 г.)
• ЛАМПОВЫЕ МАШИНЫ
• НЕТ РАЗДЕЛЕНИЯ ПЕРСОНАЛА
• НЕТ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
• ВВОД ПРОГРАММЫ С ПУЛЬТА ИЛИ С КОЛОДЫ ПЕРФОКАРТ
• ОТЛАДКА ПРОГРАММЫ С ПУЛЬТА
• ОДНОВРЕМЕННОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ТОЛЬКО ОДНОЙ ОПЕРАЦИИ
• ПОЯВЛЕНИЕ ПРООБРАЗОВ ПЕРВЫХ КОМПИЛЯТОРОВ
Научно-исследовательская работа в области
вычислительной техники
11

12. Краткая история эволюции вычислительных систем

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
2-й период (1955 г. – начало 60х гг.)
• ТРАНЗИСТОРНЫЕ МАШИНЫ
• ПРОИСХОДИТ РАЗДЕЛЕНИЕ ПЕРСОНАЛА
• БУРНОЕ РАЗВИТИЕ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ
• ВВОД ЗАДАНИЯ С КОЛОДЫ ПЕРФОКАРТ
• ОТЛАДКА ПРОГРАММЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ РАСПЕЧАТОК
• ПАКЕТЫ ЗАДАНИЙ И СИСТЕМЫ ПАКЕТНОЙ ОБРАБОТКИ
Начало использования ЭВМ в научных и
коммерческих целях
12

13. Краткая история эволюции вычислительных систем

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
3-й период (начало 60х гг. – 1980 г.)
• МАШИНЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
• ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУЛИНГА (SPOOLING)
• ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАДАНИЙ
• МУЛЬТИПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТНЫЕ СИСТЕМЫ
13

14. Влияние идеи мультипрограммирования на эволюцию вычислительных систем

ВЛИЯНИЕ ИДЕИ
МУЛЬТИПРОГРАММИРОВАНИЯ
НА ЭВОЛЮЦИЮ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
SOFTWARE
• ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАДАНИЙ
• УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ
• СОХРАНЕНИЕ КОНТЕКСТА
• ПЛАНИРОВАНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССОРА
• СИСТЕМНЫЕ ВЫЗОВЫ
• СРЕДСТВА КОММУНИКАЦИИ
• СРЕДСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ
HARDWARE
• ЗАЩИТА ПАМЯТИ
• СОХРАНЕНИЕ КОНТЕКСТА
• МЕХАНИЗМ ПРЕРЫВАНИЙ
• ПРИВИЛЕГИРОВАННЫЕ
КОМАНДЫ
14

15. Краткая история эволюции вычислительных систем

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
3-й период (начало 60х гг. – 1980 г.)
• МАШИНЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
• ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУЛИНГА (SPOOLING)
• ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАДАНИЙ
• МУЛЬТИПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТНЫЕ СИСТЕМЫ
• СИСТЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ (TIME-SHARING)
• ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ
• ИНТЕРАКТИВНАЯ ОТЛАДКА ПРОГРАММ
• РАЗВИТЫЕ ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ
• СЕМЕЙСТВА ЭВМ
Широкое использования ЭВМ в научных и
коммерческих целях
15

16. Краткая история эволюции вычислительных систем

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
4-й период (1980 г. – ???)
• МАШИНЫ НА БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ (БИС)
• ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ
• ДРУЖЕСТВЕННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
• СЕТЕВЫЕ И РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Широкое использования ЭВМ в быту, в
образовании, на производстве
16

17. Основные функции, которые выполняли классические ОС в процессе своей эволюции

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ,
КОТОРЫЕ ВЫПОЛНЯЛИ КЛАССИЧЕСКИЕ
ОС
В ПРОЦЕССЕ СВОЕЙ ЭВОЛЮЦИИ
• ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАДАНИЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССОРА
• ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОГРАММ СРЕДСТВАМИ КОММУНИКАЦИИ И
СИНХРОНИЗАЦИИ
• УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ
• УПРАВЛЕНИЕ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМОЙ
• УПРАВЛЕНИЕ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ
• ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Операционные системы существуют потому,
что на данный момент их существование –
это разумный способ использования
вычислительных систем
17

18. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Монолитное ядро
• КАЖДАЯ ПРОЦЕДУРА МОЖЕТ ВЫЗЫВАТЬ КАЖДУЮ
• ВСЕ ПРОЦЕДУРЫ РАБОТАЮТ В ПРИВИЛЕГИРОВАННОМ РЕЖИМЕ
• ЯДРО СОВПАДАЕТ СО ВСЕЙ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
• ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ПРОГРАММЫ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ С
ЯДРОМ ЧЕРЕЗ СИСТЕМНЫЕ ВЫЗОВЫ
Программа
пользователя
- точки входа в
ядро –
системные вызовы
ОС = ядро
Привилегированный режим
Программа
пользователя
Программа
пользователя
18

19. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Многоуровневые системы (Layered systems)
• ПРОЦЕДУРА УРОВНЯ N МОЖЕТ ВЫЗЫВАТЬ ТОЛЬКО ПРОЦЕДУРЫ УРОВНЯ N -1
• ВСЕ ИЛИ ПОЧТИ ВСЕ УРОВНИ РАБОТАЮТ В ПРИВИЛЕГИРОВАННОМ РЕЖИМЕ
• ЯДРО СОВПАДАЕТ ИЛИ ПОЧТИ СОВПАДАЕТ СО ВСЕЙ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
• ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ПРОГРАММЫ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ С ОС ЧЕРЕЗ ИНТЕРФЕЙС
ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Система THE
5
N
Интерфейс пользователя
4
Управление вводом-выводом
3
Драйвер связи с консолью
2
Управление памятью
1
Планирование задач и процессов
0
Hardware
19

20. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Микроядерная (microkernel) архитектура
• ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ПРОГРАММАМИ
• ПЛАНИРОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССОРА
• ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ И ОПЕРАЦИЙ ВВОДА-ВЫВОДА
• БАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ
Приложение 1
Приложение 2
Менеджер
сети
Микроядро
Привилегированный
режим
ОС
Менеджер
памяти
Менеджер
файлов
20

21. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Микроядерная (microkernel) архитектура
• ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТЕЙ ОС МЕЖДУ СОБОЙ И С
ПРОГРАММАМИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ПЕРЕДАЧИ
СООБЩЕНИЙ ЧЕРЕЗ МИКРОЯДРО
• В ПРИВИЛЕГИРОВАННОМ РЕЖИМЕ РАБОТАЕТ ТОЛЬКО
МИКРОЯДРО
• МИКРОЯДРО СОСТАВЛЯЕТ ЛИШЬ МАЛУЮ ЧАСТЬ ОС
21

22. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Смешанные системы – почему?
• МОНОЛИТНОЕ ЯДРО – НЕОБХОДИМОСТЬ ПЕРЕКОМПИЛЯЦИИ
ПРИ КАЖДОМ ИЗМЕНЕНИИ, СЛОЖНОСТЬ ОТЛАДКИ, ВЫСОКАЯ
СКОРОСТЬ РАБОТЫ.
• МНОГОУРОВНЕВЫЕ СИСТЕМЫ – НЕОБХОДИМОСТЬ
ПЕРЕКОМПИЛЯЦИИ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ, ОТЛАЖИВАЕТСЯ ТОЛЬКО
ИЗМЕНЕННЫЙ УРОВЕНЬ, МЕНЬШАЯ СКОРОСТЬ РАБОТЫ
• МИКРОЯДРО – ПРОСТОТА ОТЛАДКИ, ВОЗМОЖНОСТЬ ЗАМЕНЫ
КОМПОНЕНТ БЕЗ ПЕРЕКОМПИЛЯЦИИ И ОСТАНОВКИ СИСТЕМЫ,
ОЧЕНЬ МЕДЛЕННЫЕ
22

23. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Смешанные системы – примеры
• LINUX – МОНОЛИТНАЯ СИСТЕМА С ЭЛЕМЕНТАМИ
МИКРОЯДЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ (ПОДГРУЖАЕМЫЕ МОДУЛИ).
• 4.4 BSD – ЗАПУСК МОНОЛИТНОЙ СИСТЕМЫ ПОД
УПРАВЛЕНИЕМ МИКРОЯДРА
• WINDOWS NT – ПОЧТИ МИКРОЯДЕРНАЯ СИСТЕМА С
ЭЛЕМЕНТАМИ МОНОЛИТНОСТИ
МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПОДХОД ПРИМЕНЯЕТСЯ ПОЧТИ ВО
ВСЕХ ОС В ИХ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТАХ
23

24. Внутреннее строение операционных систем

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Виртуальные машины
КАЖДОМУ ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ СВОЯ КОПИЯ
ВИРТУАЛЬНОГО HARDWARE
Пользователь
Пользователь
Пользователь
Linux
Windows-XP
MS-DOS
Виртуальное
hardware
Виртуальное
hardware
Виртуальное
hardware
Реальная операционная система
Реальное hardware
24

25.

Некоторые компоненты компьютера
25

26.

26