Операционные системы. Типы операционных систем - блог веб-программиста

Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью.

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующих компиляторов в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается использовать данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция исходных текстов программ в новые исполняемые модули.

Каким типом совместимости - двоичной или совместимостью исходных текстов обладает ОС, зависит от многих факторов. Самый значительный из них - архитектура процессора, на котором работает ОС. Чтобы достичь двоичной совместимости достаточно соблюсти несколько следующих условий:

Вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;

Внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Кроме соблюдения приведенных выше условий, необходимо также организовать эмуляцию двоичного кода. Для того, чтобы компьютер смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение - эмулятор.

Назначение эмулятора состоит в том, чтобы последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора, например, Intel, программным способом дешифровать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора, например, Motorola.

Тем не менее, существует несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации - использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, UNIX при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение, некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на "родном" коде данной ОС. Таким образом, достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией.

Операционные системы, создают связь между пользователями и приложениями образуя ядро компьютерных систем.

ОС диссоциируют программы от аппаратного обеспечения и упрощают управление ресурсами. Давайте посмотрим на различные типы операционных систем и узнаем, чем они отличаются друг от друга.

Операционная система является программным компонентом компьютерной системы, которая отвечает за управление различной деятельностью и обмена ресурсов компьютера. Здесь проводятся несколько приложений, которые работают на компьютере и обрабатывают операции компьютерного оборудования. Пользователи и прикладные программы получают доступ к услугам, предлагаемых операционных систем, с помощью системных вызовов и интерфейсов прикладного программирования. Пользователи взаимодействуют с операционной системой компьютера через интерфейсы командной строки (CLIS) или графический интерфейс пользователя, известный как GUI. Короче говоря, операционная система позволяет взаимодействовать пользователям с компьютерными системами, выступая в качестве связующего звена между пользователями или прикладными программами и аппаратными средствами компьютера. Вот краткий обзор различных типов операционных систем.

Операционная система в режиме реального времени: Является многозадачной операционной системой, которая направлена на выполнение приложений реального времени. Операционные системы в режиме реального времени часто используют специализированные алгоритмы планирования таким образом, что они могут достичь детерминированного характера поведения. Главным объектом операционных систем реального времени является их быстрая и предсказуемая реакция на события. Система управляется событиями, переключается между задачами на основе их приоритетов, с разделением времени переключения задач.

Windows CE, ОС-9, Symbian и LynxOS вот некоторые из широко известных операционных систем реального времени.

Многопользовательские и однопользовательские операционные системы: Компьютерные операционные системы этого типа позволяют нескольким пользователям получать доступ в компьютерную систему одновременно. Системы с разделением времени могут быть классифицированы как многопользовательские системы, поскольку они позволяют множественный доступ пользователей к компьютеру через разделение времени. Однопользовательские операционные системы в отличие от многопользовательских операционных систем могут использоваться только одним пользователем одновременно. Возможность создания несколько пользователей в операционной системе Windows, не делает ее многопользовательской системой. Скорее, только администратор сети является реальным пользователем. Но для Unixи подобных операционных систем, есть возможность сразу двум пользователям войти в систему в одно время, и эта возможность ОС делает ее многопользовательской операционной системой.

Windows 95, Windows2000, MaxOS и P al m OS являются примерами однопользовательских операционных систем. U ni x и Op enVMS примеры многопользовательских операционных систем.

Многозадачность и однозадачность операционных систем: Когда разрешено запускать одновременно только одну программу, система группируются под категорией однозадачной системы, а в случае, если операционная система позволяет выполнение нескольких задач одновременно, классифицируется как многозадачная операционная система. Многозадачность может быть двух типов, а именно упреждающей или кооперативной. В многозадачной операционной системе посвящает один слот для каждой из программ. Unix-подобные операционные системы, такие как Solaris и Linux, поддерживают многозадачность. Кооперативная многозадачность достигается при опоре на каждом процессе, чтобы дать время для других процессов в определенном порядке. Этот вид многозадачности похож на идею блока многопоточности, в которой один поток проходит, пока другой заблокирован каким-либо другим событием. MS Windowsдо Windows 95 используют для поддержки кооперативную многозадачность.

PalmOS для Palm КПК являются однозадачными операционными системами. 9x Windows, поддерживает многозадачность. DOS + является относительно менее известной многозадачной операционной системой. Он может поддерживать многозадачность из четырех 86-битных программ.

Распределенная операционная система: операционная система, которая управляет группой независимых компьютеров и делает их одним компьютером. Развитие сетевых компьютеров, которые могут быть связаны между собой, породило распределенные вычисления. Распределенные вычисления осуществляются на более чем одном компьютере. Когда компьютеры сотрудничают в групповой работе, они создают распределенную систему.

Амеба, Plan9 и ЛОКУС (разработанные в 1980-х годах) являются примерами распределенных операционных систем.

Встроенные системы: Операционные системы, предназначенные для использования во встраиваемых компьютерных системах. Они предназначены для работы на небольших машинах, таких как КПК. Они способны работать с ограниченным числом ресурсов. Они очень компактны и эффективны.

Windows CE, FreeBSD и Mini x 3 примеры встраиваемых операционных систем. Использование Linuxво встраиваемых компьютерных систем называют Embedded Linux.

Мобильная операционная система: Хотя она по функционалу и не является родом операционных систем, мобильная ОС, безусловно, важное упоминание в списке типов операционных систем. Мобильная ОС управляет мобильным устройством, ее дизайн поддерживает беспроводную связь и мобильные приложения. Она имеет встроенную поддержку мобильных мультимедийных форматов. Планшетные ПК и смартфонов работают на мобильных операционных системах.

Blackberry OS, Androidот Googleи IOS от Apple являются одними из самых известных мобильных операционных систем.

Пакетная обработка и интерактивные системы: Пакетная обработка относится к исполнению компьютерных программ в «партиях» без ручного вмешательства. В системах пакетной обработки, программы собраны, сгруппированы и обрабатываются в более поздний срок. В них нет запросов пользователей для входа, входные данные собираются заранее для дальнейшей обработки. Входные данные собираются и обрабатываются в партиях, отсюда и название пакетной обработки. IBM, ОС имеет возможности пакетной обработки.

Интернет и сеть: В онлайн-обработке данных, пользователь остается в контакте с компьютером и процессы выполняются под управлением центрального процессора компьютера. Когда процессы не выполняются под прямым контролем процессора, обработка упоминается как в автономном режиме. Давайте возьмем пример пакетной обработки. Здесь дозирование или группировка данных может быть сделана без пользователя и вмешательства центрального процессора; это может быть сделано в автономном режиме. Но выполнение самого процесса может произойти под непосредственным управлением процессора, то есть в Интернете.

Операционные системы способствуют упрощению взаимодействия человека с компьютерной техникой. Они несут ответственность за связь прикладных программ с аппаратными средствами, что позволяет достичь легкого доступа пользователей к компьютерам.

4.1 Виды совместимости

Конкретные архитектурные и функциональные особенности любой ОС непосредственно должны касаться лишь системных программистов и могут совершенно не быть известны рядовому пользователю. В то время как некоторые идеи (например, объектно-ориентированный подход) находятся в ведении только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя, концепция множественных прикладных сред приносит пользователю долгожданную возможность выполнять на своей ОС программы, написанные для других ОС и процессоров. Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью.

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости, которые не следует путать: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС, и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Таким образом, совместимость на уровне исходных текстов наиболее важное значение имеет для разработчиков приложений, в распоряжении которых находятся эти исходные тексты. Для конечных же пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут без специальных навыков и умений использовать программный продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на разных компьютерах. Для пользователя, купившего в свое время пакет программ для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот привычный ему пакет без каких-либо изменений или ограничений на своей новой машине, работающей, например, под управлением Windows NT. Множественные прикладные среды как раз и обеспечивают совместимость данной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов.

вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться дайной ОС;

внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Тем не менее, существует.несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации - использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, UNIX при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение, некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на "родном" коде данной ОС. Таким образом, достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией.

Однако следует заметить, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Вполне может случиться так, что концепции, положенные в основу разных ОС, войдут в противоречие друг с другом. Например, в одной ОС приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, а в другой действия являются прерогативой ОС. Совершенно естественно, что каждая ОС имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои; алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Все эти отличия определяются спецификой аппаратной платформы, на которой работает ОС, особенностями ее реализации или заложены разработчиками системы как присущие данной системе свойства. Для обеспечение совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.

Совместимость

Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах.

Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор, на который переносится ОС, использует тот же набор команд (возможно с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута достаточно просто.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, DOS-программу на Mac), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Например, процессор типа 680x0 на Mac должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 80x86 в PC. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86.

Это простая, но очень медленная работа, так как микрокод внутри процессора 80x86 исполняется на значительно более быстродействующем уровне, чем эмулирующие его внешние команды 680x0. За время выполнения одной команды 80x86 на 680x0, реальный 80x86 может выполнить десятки команд. Следовательно, если процессор, производящий эмуляцию, не настолько быстр, чтобы компенсировать все потери при эмуляции, то программы, исполняющиеся под эмуляцией, будут очень медленными.

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.

Соответствие стандартам POSIX также является средством обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов. Во второй половине 80-х правительственные агентства США начали разрабатывать POSIX как стандарты на поставляемое оборудование при заключении правительственных контрактов в компьютерной области. POSIX - это "интерфейс переносимой ОС, базирующейся на UNIX". POSIX - собрание международных стандартов интерфейсов ОС в стиле UNIX. Использование стандарта POSIX (IEEE стандарт 1003.1 - 1988) позволяет создавать программы стиле UNIX, которые могут легко переноситься из одной системы в другую.

Виды совместимости

Рассмотрев основы построения и функционирования ОС, можно сделать вывод, что конкретные архитектурные и функциональные особенности любой ОС непосредственно должны касаться лишь системных программистов и могут совершенно не быть известны рядовому пользователю. В то время как некоторые идеи (например, объектно-ориентированный подход) находятся в ведении только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя, концепция множественных прикладных сред приносит пользователю долгожданную возможность выполнять на своей ОС программы, написанные для других ОС и процессоров. Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью .

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости, которые не следует путать: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов . Приложения обычно хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС, и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Каким типом совместимости – двоичной или совместимостью исходных текстов обладает ОС, зависит от многих факторов. Самый значительный из них – архитектура процессора, на котором работает ОС. Только в том случае, если процессор использует тот же набор команд (возможно, даже более расширенный, но ни в коем случае не уменьшенный) и тот же диапазон адресов, двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто. Достаточно соблюсти несколько следующих условий:

Вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;

Несравнимо сложнее достигнуть двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих различающиеся архитектуры. Кроме соблюдения приведенных выше условий, необходимо также организовать эмуляцию двоичного кода. Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC – на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т.п.), отличную от архитектуры Intel, поэтому ему совершенно непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того, чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение – эмулятор .

Назначение эмулятора состоит в том, чтобы последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифровать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Поскольку вследствие архитектурных отличий процессор Motorola не имеет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в процессоре Intel, он должен эмулировать (имитировать) и все эти элементы с использованием своих регистров и памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой инструкции должно быть точно таким же, как и в реальном процессоре Intel. Эта не очень сложная с точки зрения программной реализации задача требует для своего выполнения достаточно большого количества ресурсов компьютера. Реально на компьютере Macintosh можно запускать на выполнение только небольшие DOS-приложения, не требующие активного использования ресурсов компьютера.

Тем не менее, существует несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации – использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Сегодня в среднестатистической программе около 60-80% времени выполнения тратится на выполнение функций GUI и остальных библиотечных вызовов ОС. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на “родном” коде данной ОС. Таким образом достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией .

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда происходит вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, перехватывает этот вызов и направляет его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на подобных участках кода скорость работы программы может достичь скорости работы на своем “родном” процессоре.

Однако следует заметить, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Вполне может случиться так, что концепции, положенные в основу разных ОС, войдут в противоречие друг с другом. Например, в одной ОС приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, а в другой эти действия являются прерогативой ОС. Совершенно естественно, что каждая ОС имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Все эти отличия определяются спецификой аппаратной платформы, на которой работает ОС, особенностями ее реализации или заложены разработчиками системы как присущие данной системе свойства. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.