Семейства операционных систем
Основные функции операционных систем
По современным представлениям ОС должна уметь делать следующее.
· Обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную память и их исполнение (этот пункт не относится к ОС, предназначенным для прошивки в ПЗУ).
· Обеспечивать управление памятью. В простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой. В многопроцессных системах это сложная задача управления системными ресурсами.
· Обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски, флэш-память и т. д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные в виде файловых систем.
· Предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства или двигатели, поворачивающие рулевые плоскости истребителя.
· Предоставлять некоторый пользовательский интерфейс. Слово некоторый здесь сказано не случайно — часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы. Встраиваемые системы часто не имеют никакого пользовательского интерфейса.
Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа — дисковая операционная система MS DOS.
Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:
· параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач;
· организацию взаимодействия задач друг с другом;
· организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов;
· защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ;
· аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.
ДОС (Дисковые Операционные Системы)
Это системы, берущие на себя выполнение только первых четырех функций. Как правило, они представляют собой некий резидентный набор подпрограмм, не более того. ДОС загружает пользовательскую программу в память
и передает ей управление, после чего программа делает с системой все, что ей заблагорассудится. При завершении программы считается хорошим тоном оставлять машину в таком состоянии, чтобы ДОС могла продолжить работу. Если же программа приводит машину в какое-то другое состояние, что ж, ДОС ничем ей в этом не может помешать.
Характерный пример — различные загрузочные мониторы для машин класса Spectrum. Как правило, такие системы работают одновременно только с одной программой.
Дисковая операционная система MS DOS для IBM PC-совместимых машин является прямым наследником одного из таких резидентных мониторов.
Существование систем этого класса обусловлено их простотой и тем, что они потребляют мало ресурсов. Для машин класса Spectrum это более чем критичные параметры. Еще одна причина, по которой такие системы могут использоваться даже на довольно мошных машинах — требование программной совместимости с ранними моделями того же семейства компьютеров.
ОС общего назначения
К этому классу относятся системы, берущие на себя выполнение всех вышеперечисленных функций. Разделение на ОС и ДОС идет, по-видимому, от систем IBM DOS/360 и OS/360 для больших компьютеров этой фирмы, клоны которых известны у нас в стране под названием ЕС ЭВМ серии 10ХХ. (Кстати, у IBM была еще TOS/360, Tape Operating System — Ленточная Операционная Система).
Здесь под ОС мы будем подразумевать системы "общего назначения", т. е. рассчитанные на интерактивную работу одного или нескольких пользователей в режиме разделения времени, при не очень жестких требованиях ко времени реакции системы на внешние события. Как правило, в таких системах уделяется большое внимание защите самой системы, программного обеспечения и пользовательских данных от ошибочных и злонамеренных программ и пользователей. Обычно подобные системы используют встроенные в архитектуру процессора средства защиты и виртуализации памяти. К этому классу относятся такие широко распространенные системы, как Windows 2000, системы семейства Unix.
Системы виртуальных машин
Такие системы стоят несколько особняком. Система виртуальных машин -это ОС, допускающая одновременную работу нескольких программ, но создающая при этом для каждой программы иллюзию того, что машина находится в полном ее распоряжении, как при работе под управлением ДОС. Зачастую, "программой" оказывается полноценная операционная система - примерами таких систем являются VMWare для машин с архитектурой х86 или VM для System/370 и ее потомков.
Виртуальные машины являются ценным средством при разработке и тестировании кросс-платформенных приложений. Реже они используются для отладки модулей ядра или самой операционной системы.
Такие системы отличаются высокими накладными расходами и сравнительно низкой надежностью, поэтому относительно редко находят промышленное применение.
Часто СВМ являются подсистемой ОС общего назначения: MS DOS и MS Windows-эмуляторы для UNIX и OS/2, подсистема WoW в Windows NT/2000/XP, сессия DOS в Windows З.х/95/98/МЕ, эмулятор RT-11 в VAX/ VMS.
В системах виртуальных машин, как правило, приходится уделять много внимания эмуляции работы аппаратуры. Например, несколько программ могут начать программировать системный таймер. СВМ должна отследить такие попытки и создать для каждой из программ иллюзию, что она запрограммировала таймер именно так, как хотела. Разработка таких систем является сложным и часто неблагодарным делом. Архитектура таких систем сильно зависит от свойств виртуализуемой аппаратуры, поэтому мы почти не будем обсуждать этот класс ОС.
Системы реального времени
Это системы, предназначенные для облегчения разработки так называемых приложений реального времени — программ, управляющих некомпьютерным оборудованием, часто с очень жесткими ограничениями по времени. Примером такого приложения может быть программа бортового компьютера fly-by-wire (дословно - "летящий по проволоке", т. е. использующий систему управления, в которой органы управления не имеют механической и гидравлической связи с рулевыми плоскостями) самолета, системы управления ускорителем элементарных частиц или промышленным оборудованием. Подобные системы обязаны поддерживать многопоточность, гарантированное время реакции на внешнее событие, простой доступ к таймеру и внешним устройствам.
Способность гарантировать время реакции является отличительным признаком систем РВ. Важно учитывать различие между гарантированностью и просто высокой производительностью и низкими накладными расходами. Далеко не все алгоритмы и технические решения, даже и обеспечивающие отличное среднее время реакции, годятся для приложений и операционных систем РВ.
По другим признакам эти системы могут относиться как к классу ДОС (RT-11), так и к ОС (OS-9, QNX).
Любопытно, что новомодное течение в компьютерной технике — multimedia — при качественной реализации предъявляет к системе те же требования, что и промышленные задачи реального времени. В multimedia основной проблемой является синхронизация изображения на экране со звуком. Именно в таком порядке. Звук обычно генерируется внешним аппаратным устройством с собственным таймером, и изображение синхронизируется с ним. Человек способен заметить довольно малые временные неоднородности в звуковом потоке, а пропуск кадров в визуальном потоке не так заметен. Расхождение же звука и изображения фиксируется человеком уже при задержках около 30 мс. Поэтому системы высококачественного multimedia должны обеспечивать синхронизацию с такой же или более высокой точностью, что мало отличается от реального времени.
Так называемое "мягкое реальное время" (soft real lime), предоставляемое современными Win32 платформами, не является реальным временем вообще, это что-то вроде "осетрины второй свежести". Система "мягкого РВ" обеспечивает не гарантированное, а всего лишь среднее время реакции. Для мультимедийных приложений и игр различие между "средним" и "гарантированным" не очень критично — ну дернется картинка, или поплывет звук. Но для промышленных приложений, где необходимо настоящее реальное время, это обычно неприемлемо.
Средства кросс-разработки
Это системы, предназначенные для разработки программ в двухмашинной конфигурации, когда редактирование, компиляция, а зачастую и отладка кода производятся на инструментальной машине (в англоязычной литературе ее часто называют host — дословно, "хозяин"), а потом скомпилированный код загружается в целевую систему. Чаще всего они используются для написания и отладки программ, позднее прошиваемых в ПЗУ. Примерами таких ОС являются системы программирования микроконтроллеров Intel, Atmel, PIC и др., системы Windows СЕ, Palm OS и т. д. Такие системы, как правило, включают в себя:
- набор компиляторов и ассемблеров, работающих на инструментальной машине с "нормальной" ОС;
- библиотеки, выполняющие большую часть функций ОС при работе программы (но не загрузку этой программы!);
- средства отладки.
Иногда встречаются кросс-системы, в которых компилятор работает не на инструментальной машине, а в целевой системе — так, например, устроена среда разработки для семейства микропроцессоров Transputer компании Inmos.
Семейства операционных систем
Часто можно проследить преемственность между различными ОС, необязательно разработанными одной компанией. Отчасти такая преемственность обусловлена требованиями совместимости или хотя бы переносимости прикладного программного обеспечения, отчасти — заимствованием отдельных удачных концепций.
На основании такой преемственности можно выстроить "генеалогические деревья" операционных систем и — с той или иной обоснованностью — объединять их в семейства. Впрочем, в отличие от древа происхождения биологических видов, граф родства ОС не является деревом и нередко содержит циклы, поэтому бесспорной многоуровневой классификации, охватывающей всю техносферу, похожей на линнеевскую классификацию видов, выстроить не удается.
Тем не менее, мы с достаточно большой уверенностью можем выделить минимум три семейства ныне эксплуатирующихся ОС и еще несколько — вымерших или близких к тому. Три ныне процветающих семейства суть.
- Системы для больших компьютеров фирмы IBM — OS/390, z/OS и IBM VM.
- Обширное, бурно развивающееся и имеющее трудно определимые границы семейство Unix. В этой книге под системами данного семейства мы будем подразумевать прежде всего ОС трех основных родов:
- Unix System V Release 4.x: Sunsoft Solans, SCO UnixWare;
- Berkeley Software Distribution Unix: BSDI, FreeBSD;
- Linux.
- Семейство прямых и косвенных потомков Control Program/Monitor (СР/М) фирмы Digital Research. В этом семействе можно выделить также весьма широко известное подсемейство \sisname{Win 32}-платформ (рис. В.2).
Еще одно практически вымершее к настоящему моменту, но оставившее в наследство ряд важных и интересных концепций семейство — это операционные системы для мини- и микрокомпьютеров фирмы DEC: RT-11, RSX-11 и VAX/VMS.
Ряд систем, в том числе и коммерчески успешных, например OS/400, не могут быть с уверенностью отнесены ни к одному из перечисленных семейств, поэтому, как и к классификации предыдущего раздела, к данной классификации надо относиться с осторожностью.