Операционные системы. Определение. Назначение

Ос – набор прог, обеспечиващих возм-ть использов-я компа.

Ос – набор прог, которые распределяют ресурсы процессам.

Ос – комплекс взаимосвязанных прог, кот-е действуют как интерфейс м/у прилож-ми и пользов-ми одной стороны и аппаратурой с другой.

Если процессу необходимо выполнить операцию системным ресурсом, в том числе с оборудованием процесс выдает системный вызов. ОС интерпретирует системный вызов, проверяет его корректность и выполняет его. Если выполнение вызова связано с операциями на оборудование ос форми-ет и выдает на оборудование требуемые управляющие воздействия. Оборуд-е, выполнив операцию, заданную управляющими воздействиями, сигнализирует об этом прерыванием. Прерывание поступает в ос, анализируется и формир-ся отклик для процесса, выдавшего системный вызов.

Предназначения ос:

1. организация эффективных и надежных вычислений

2. создание различных интерфейсов для взаимодействия с этими вычислениями и самой вычислительной системой.

Эволюция ОС

Первый период (1945 -1955). Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэбиджем в конце восемнадцатого века. Его "аналитическая машина" так и не смогла по-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. 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. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

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. В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно и первые системные программы - компиляторы. 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.

Третий период (1965 - 1980) 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.

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. 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.

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.

Файловые системы, многопользовательские режимы

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 ПК. 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 начале 90 почти все ОС стали сетевыми.На передний план вышла безопасность.Потом удобство.Сейчас многоплатформенность.

Классификация ОС

ос могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компа (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами. Ос бывают:

Поддержка многозадачности.

•однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

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

Ос как виртуальная машина.

Для того чтобы успешно решать задачи, польз-ль может обойтись без знания аппаратных устр-в компа. Польз-лю необяз-но быть в курсе того, как функционируют разл.электронные блоки и электромеханические узлы компа. Именно ос скрывают от польз-ля большую часть особ-тей аппаратуры и предоставл.возм-ть простой и удобной работы с требуемыми файлами. Ос избавляет не тлько от необх-ти напрямую работать с аппаратурой, но и берет на себя все др.операции, связанные с управл-ем др.аппаратными устр-вами(память,принтер и т.д. В рез-те реальн.машина, способная выполнять только небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в вирт.машину, широкий набор функций. Т.о. назнач-е ос состоит в предоставлении польз-лю некоторой расширенной вирт.машины,кот-ую легче программировать и с которой проще работать, чем с аппаратурой, составляющей реальный комп или реальную сеть.

Сетевые ОС

Компьютерная сеть – это набор компов, связанных коммуникационной системой и снабженных соответствующим ПО, позволяющим польз-лям сети получать доступ к ресурсам этого набора компов. сеть позволяет польз-лю работать со своим компом как с автономным и добавляет к этому возможность доступа к информационным и аппаратным ресурсам. Сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей

• Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами.

• Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер).Обработка запросов, управление периферией и работа с удалёнными пользователями

• Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования - клиентская часть ОС (редиректор).распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.

• Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

Требования к современным ОС

1)Выполнение основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобным интерфейсом пользователя. 2) Расширяемость – это способность легко перенастраиваться на другие аппаратные устройства. 3) Переносимость – существование ОС на нескольких платформах. 4) Совместимость – приложения для одной ОС должны подходить для другой ОС. 5) Надежность и отказоустойчивость – это защита от внутренних и внешних ошибок, сбоев, отказов. Действия ОС должны быть предсказуемыми, а приложения должны иметь возможность: 1) архитектурного решения 2) отлаженность кода 3)поддержка аппаратных свойств обеспечения отказоустойчивости. Дисковые массивы RAID. ОС должна содержать средства: 1)аутентификации – легальность пользователя. 2)авторизация – это предоставление легальному пользователю различных прав к ресурсам. 3) средства аудита, фиксация всех подозрительных действий для безопасности системы. 4) производительность – ОС должна быть производительна на столько, на сколько позволяет аппаратная платформа, т. е. она должна использовать все ресурсы ПК

Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую на основе ядра, можно представить в виде 3-х слоев: нижний слой – аппаратное обеспечение, промежуточный слой – ядро, верхний – утилиты и приложения пользователей. Структура ядра: 1)аппаратное обеспечение(АО) 2) средства поддержки ОС - это часть функций ОС, которые выполняются аппаратными средствами. Например: система прерываний, средство защиты памяти. 3) машинно - зависимые модули – это модули ПО, вкоторых отражается спицифика аппаратной платформы ПК, все остальные модули машины не зависимые 4) базовые механизмы ядра - программная основа ОС, выполняет наиболее примитивные операции ядра, т. е. базовые функции 5) менеджеры ядра – это функциональные модули, реализующие стратегии задачи по управлению основными ресурсами системы. Они ведут учет сводных и используемых ресурсов и планируют их распределение 6) интерфейс системных вызовов. Взаимодействует с приложениями и системными утилитами, образует прикладной программный интерфейс системы.

Экзоядро и наноядро.

Сегментное распределение

При страничной организации виртуальное адресное пространство процесса делится механически на равные части. Сегментное распределение позволяет запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение. Кроме того, разбиение программы на "осмысленные" части делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами. Например, если два процесса используют одну и ту же математическую подпрограмму, то в оперативную память может быть загружена только одна копия этой подпрограммы.

Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором.

При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса, в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре.

Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

+ зашита - фрагментация и низкая скорость

Свопинг

Разновидностью виртуальной памяти является свопинг.

для загрузки процессора на 90% достаточно всего трех счетных задач. Однако для того, чтобы обеспечить такую же загрузку интерактивными задачами, выполняющими интенсивный ввод-вывод, потребуются десятки таких задач. Необходимым условием для выполнения задачи является загрузка ее в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях был предложен метод организации вычислительного процесса, называемый свопингом. В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

31. Кэш-память. Способы отображения основной памяти в кэш
Иерархия запоминающих устройств. Принцип кэширования данных

Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит. Пользователю хотелось бы иметь и недорогую и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы.

Кэш-память - это способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.

Кэш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств - "быстрое" ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, который не должен сообщать никакой информации об интенсивности использования данных и не должен никак участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа, все это делается автоматически системными средствами.

Рассмотрим частный случай использования кэш-памяти для уменьшения среднего времени доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти. Для этого между процессором и оперативной памятью помещается быстрое ЗУ, называемое просто кэш-память. В качестве такового может быть использована, например,ассоциативная память. Содержимое кэш-памяти представляет собой совокупность записей обо всех загруженных в нее элементах данных. Каждая запись об элементе данных включает в себя адрес, который этот элемент данных имеет в оперативной памяти, и управляющую информацию: признак модификации и признак обращения к данным за некоторый последний период времени.

В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не находятся ли нужные данные в кэш-памяти; кэш-память не является адресуемой, поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому - значению поля "адрес в оперативной памяти", взятому из запроса.

2.Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то они считываются из нее, и результат передается в процессор.

3.Если нужных данных нет, то они вместе со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память, и результат выполнения запроса передается в процессор. При копировании данных может оказаться, что в кэш-памяти нет свободного места, тогда выбираются данные, к которым в последний период было меньше всего обращений, для вытеснения из кэш-памяти. Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память. Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.

На практике в кэш-память считывается не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок данных, это увеличивает вероятность так называемого "попадания в кэш", то есть нахождения нужных данных в кэш-памяти.

Файловая система

Файл -именованная система внешней памяти для записи-чтения.Позволяет долговременно и надёжно хранит инфу и

Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

•совокупность всех файлов на диске,

•наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

•комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Типы файлов

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог - это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, а с другой стороны - это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

•информация о разрешенном доступе,

•пароль для доступа к файлу,

•владелец файла,

•создатель файла,

•признак "только для чтения", "скрытый файл","системный файл”, "архивный файл",

•признак "архивный файл",

•признак "двоичный/символьный",

•признак "временный" (удалить после завершения процесса),

•признак блокировки,

•длина ключа,

•времена создания, последнего доступа и последнего изменения,

•текущий размер файла,

•максимальный размер файла.

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов(MS-DOS), или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики(ОС UNIX). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру

Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог(MS-DOS), и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов(UNIX).Каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Наиболее распространённые

FAT(file allocation table)

Таблица размещения файлов. Используется в DOS и Windows. Суть в наличии таблицы, в которой указаны участки диска(занятые,свободные,повреждённые)

Файловая система	FAT12	FAT16	FAT32
Создание
Версия	12bit	16bit	32bit
Max размер файла	32Мб	2Гб	4Гб
Max размер раздела	32Мб	2Гб	8Тб

NTFS (new technology file system)

Стандартная файловая система для винды.Разрабатывалась для серверов=>надёжна(может самовосстанавливаться)

Max размер 16Эбайт(16*2⁶⁴байт)

Ext 2fs (second extended file system)

Используется в Linux

Состоит из блока, группы блоков, индексного дескриптора и суперблока.

Меньший размер блока позволяет экономить место, но ограничивает max размер

Индексный дескриптор(инфоузел) содержит информацию об атрибутах и физическом расположении файла.

Суперблок содержит информацию о Файловой системе

При размере блока 4кб размер файла не может превышать 2 Тб.

Информационная безопасность ОС. Основные понятия

Безопасная информационная система — это система, которая

1)защищает данные от несанкционированного доступа

2)всегда готова предоставить данные своим пользователям

3)надежно хранит информацию и гарантирует неизменность данных.

Свойства:

1)Конфиденциальность (confidentiality) — гарантия того, что секретные данные будут доступны только тем пользователям, которым этот доступ разрешен (такие пользователи называются авторизованными).

2)Доступность (availability) — гарантия того, что авторизованные пользователи всегда получат доступ к данным.

3)Целостность (integrity) — гарантия сохранности данными правильных значений, которая обеспечивается запретом для неавторизованных пользователей каким-либо образом изменять, модифицировать, разрушать или создавать данные.

Понятия конфиденциальности, доступности и целостности могут быть определены не только по отношению к информации, но и к другим ресурсам вычислительной сети, например внешним устройствам или приложениям. Существует множество системных ресурсов, возможность «незаконного» использования которых может привести к нарушению безопасности системы. (Например, неограниченный доступ к устройству печати позволяет злоумышленнику получать копии распечатываемых документов)

Требования безопасности могут меняться в зависимости от назначения системы, характера используемых данных и типа возможных угроз.

Угроза- любое действие, которое направлено на нарушение конфиденциальности, целостности и/или доступности информации, а также на нелегальное использование других ресурсов сети, Атака- реализованная угроза

Риск — это вероятностная оценка величины возможного ущерба, который может понести владелец информационного ресурса в результате успешно проведенной атаки. Значение риска тем выше, чем более уязвимой является существующая система безопасности и чем выше вероятность реализации атаки.