Структура занятия · четыре раздела

Структура темы: четыре вопроса занятия

Определение · три составляющие

Определение операционной системы

Операционная система — комплекс программ, который управляет ресурсами компьютера и предоставляет их прикладным программам через единый интерфейс.

1. Программное, а не аппаратное обеспечение

   Совокупность исполняемого кода и данных, загружаемая в оперативную память при включении компьютера и остающаяся в ней до завершения работы.

2. Посредник между программой и устройством

   Прикладная программа не обращается к накопителю напрямую: она передаёт запрос операционной системе, которая определяет порядок и способ его выполнения.

3. Распределитель ресурсов и средство защиты

   Ресурс — ограниченный компонент системы, распределяемый между потребителями: процессорное время, память, дисковое пространство, доступ к устройству. Ресурсы делятся между десятками программ одновременно, и ошибка в одной из них не должна нарушать работу остальных.

Модель · уровни вычислительной системы

Уровневая модель вычислительной системы

Назначение · две функции одной программы

Две функции операционной системы: расширенная машина и распределитель ресурсов

Вычислительная система без операционной системы

Задачи, которые решает прикладная программа при отсутствии операционной системы

Ресурсы · часть 1

Ресурсы вычислительной системы: процессор и память

1. Процессорное время

   Одно ядро в каждый момент выполняет одну последовательность инструкций, тогда как число процессов в системе измеряется сотнями. Остальные процессы находятся в очереди планировщика.

2. Оперативная память

   Объём памяти фиксирован, выделяется она страницами. Обращение процесса к странице, выделенной другому процессу, должно быть исключено средствами защиты.

Ресурсы · часть 2

Ресурсы вычислительной системы: накопитель, устройства и сеть

1. Дисковое пространство

   Общий накопитель распределяется через файлы, права доступа, квоты на объём и очередь запросов к устройству.

2. Устройства ввода-вывода

   Клавиатура, дисплей, принтер и камера обслуживают один запрос одновременно, тогда как число обращающихся к ним программ больше.

3. Сеть

   Один физический канал распределяется между множеством соединений через порты, сокеты, полосу пропускания и правила фильтрации.

Нулевое поколение

Вычислительные машины 1945–1955 годов: работа без операционной системы

ЗАДАЧА

Расчёт баллистических таблиц. Программа задавалась переключателями и коммутационными панелями: соединение блоков машины выполнялось проводами вручную.

СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Отсутствовало. Одна программа занимала машину целиком — процессор, память и устройства — и содержала весь код взаимодействия с оборудованием.

ЦЕНА

Смена задачи занимала часы или дни. Программа была неотделима от конкретной машины и не поддавалась переносу.

Первое поколение · пакетная обработка

Системы пакетной обработки заданий

ПРОБЛЕМА

В интервале между двумя расчётами машина простаивала: оператор менял ленты, готовил колоды перфокарт и снимал распечатки.

РЕШЕНИЕ

Система GM-NAA I/O, написанная в General Motors и North American Aviation для IBM 704, постоянно оставалась в памяти и сама запускала следующую задачу из пакета, как только заканчивалась предыдущая. Задачи заранее собирали в один пакет — отсюда и название пакетной обработки.

ЦЕНА

Обратная связь отсутствовала: ошибка в программе обнаруживалась через несколько часов, а иногда на следующий день, поскольку пакет уже был поставлен в очередь.

Второе поколение · технические следствия

Три механизма, потребовавшиеся для размещения нескольких программ в памяти

1. Защита памяти

   При размещении в памяти нескольких программ запись одной программы в область другой должна быть исключена. Для этого введены аппаратные границы областей памяти, проверяемые при каждом обращении.

2. Привилегированный режим процессора

   Часть машинных инструкций стала доступна только ядру. Без такого разделения прикладная программа могла бы отключить защиту памяти самостоятельно.

3. Планирование

   Потребовалось правило выбора очередной программы из числа готовых к выполнению; из него развились современные алгоритмы диспетчеризации. Все три механизма появились одновременно и по технической необходимости, а не из соображений удобства.

Третье поколение · семейство машин

Семейство IBM System/360 и операционная система OS/360

ПРОБЛЕМА

Производитель выпускал несколько несовместимых линий машин. Программу, разработанную для одной модели, требовалось переписывать для другой вместе со всем системным программным обеспечением.

РЕШЕНИЕ

Линейка совместимых машин разной мощности с общим набором команд и общей операционной системой OS/360. Код, написанный для младшей модели, выполнялся на старшей.

ЦЕНА

Система, рассчитанная на машины разной производительности и различные режимы применения, достигла объёма в миллионы строк кода. Управление такой разработкой стало самостоятельной инженерной проблемой, описанной Фредериком Бруксом в книге «Мифический человеко-месяц».

Разделение времени · индивидуальный терминал

Системы разделения времени: CTSS и Multics

ПРОБЛЕМА

Пакетная обработка обеспечивала загрузку машины, но исключала интерактивную работу: исправление опечатки требовало ожидания следующего прогона.

РЕШЕНИЕ

Разделение времени: процессор предоставляется каждому пользователю короткими интервалами в порядке очереди. Частота переключений такова, что для пользователя терминала машина выглядит выделенной ему одному. Система CTSS запущена в MIT в 1961 году, вслед за ней начат проект Multics.

ЦЕНА

Multics проектировался как система масштаба городской вычислительной службы и оказался чрезмерно сложным. Часть участников проекта перешла к разработке более компактной системы, из которой развился UNIX.

Четвёртое поколение · персональные компьютеры

MS-DOS и операционные системы персональных компьютеров

УСЛОВИЯ

Компьютер стал персональным: одна машина рассчитана на одного пользователя. Задача разделения процессора между пользователями перестала быть актуальной.

РЕШЕНИЕ

Простая система с командной строкой и файловой системой FAT. Программа получала машину в единоличное распоряжение и обращалась к оборудованию напрямую.

ЦЕНА

Защита памяти и разграничение прав отсутствовали: сбой одной программы приводил к отказу всей системы, а любая программа могла повредить любой файл. Механизмы защиты пришлось вводить заново в следующем поколении систем.

Графический интерфейс

Графический интерфейс пользователя: Apple Macintosh, 1984 год

ПРОБЛЕМА

Работа с командной строкой требует знания имён команд и их параметров. Для пользователя, решающего прикладные задачи, это самостоятельный барьер освоения.

РЕШЕНИЕ

Графический интерфейс: окна, значки, меню и указатель мыши. Основные идеи разработаны в исследовательском центре Xerox PARC в 1970-е годы. Apple Lisa выпущена в 1983 году, Macintosh — в 1984 году; последний получил массовое распространение.

ЦЕНА

Графическая оболочка потребовала дополнительных объёмов памяти и процессорного времени, а последовательность действий стала хуже воспроизводимой: команда записывается в сценарий, перемещение указателя — нет. По этой причине командный интерфейс сохранился.

Открытый исходный код · 1991

Ядро Linux и модель открытой разработки

I'm doing a (free) operating system (just a hobby, won't be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones.Линус Торвальдс, письмо в конференцию comp.os.minix, 25 августа 1991

«Я делаю (бесплатную) операционную систему — просто хобби, ничего большого и профессионального вроде gnu — для клонов AT на 386 и 486».

Дальнейшее развитие: исходный код был открыт, и в разработку включились сторонние участники. С версии 0.12 ядро распространяется по лицензии GPL. В настоящее время оно применяется в серверах, мобильных устройствах на Android, сетевом оборудовании и большинстве суперкомпьютеров.

Итог раздела · закономерности

Три закономерности, видимые на хронологии

1. Функции не исчезают

   Очередь заданий 1956 года и планировщик Ubuntu 24.04 решают одну и ту же задачу — определяют порядок использования процессора — различными способами. Ни один механизм из перечисленных на хронологии не был отменён; менялась только его реализация.

2. Механизмы защиты вводились дважды

   Мейнфреймы получили защиту памяти и привилегированный режим в 1960-е годы. Персональные компьютеры начала 1980-х этих механизмов не имели и восстановили их к середине 1990-х, когда объём выполняемых задач сделал отказ системы неприемлемым.

3. Срок жизни ядра измеряется десятилетиями

   macOS основана на разработках BSD и Mach, Android работает на ядре Linux 1991 года, Windows — на ядре линии NT, выпущенном в 1993 году. Прикладное окружение обновляется существенно чаще, чем ядро.

Часть 3 · функции

Размещение функций операционной системы по уровням модели

Функция 1 · управление процессами

Процесс и его состояния

Процесс — это запущенная программа со своей областью памяти и собственным состоянием. В каждый момент времени процесс находится в одном из трёх состояний.

Функция 2 · управление памятью

Управление оперативной памятью: виртуальные адреса и страницы

1. Виртуальный адрес

   Программа обращается к адресу, отсчёт которого для неё начинается с нуля. Физическое размещение данных процессу неизвестно и может изменяться в ходе работы.

2. Таблица страниц

   Ядро хранит соответствие «виртуальная страница — физическая», а перевод адреса выполняет отдельный блок процессора. На архитектуре x86-64 страница обычно занимает 4 КБ.

3. Изоляция и подкачка как результат

   Чтение чужой страницы невозможно, а редко используемые страницы вытесняются на накопитель, освобождая память активным процессам.

Функция 3 · файловая система

Файловая система: организация данных на накопителе

Накопитель хранит нумерованные блоки. Каталоги, имена файлов, время изменения и права доступа существуют как структуры, которые создаёт и поддерживает операционная система.

/
├── bin    исполняемые программы
├── etc    файлы настроек
├── home
│   └── student   личные файлы
├── var
│   └── log       журналы системы
└── dev    устройства как файлы

C:\
├── Windows        системные файлы
├── Program Files  программы
└── Users
    └── student    личные файлы

D:\   второй том — свой корень

Функция 4 · цена решения

Виртуализация устройств и отказоустойчивость драйверов

Функция 5 · пользователи, права и защита

Учётные записи, права доступа и защита данных

Права проверяет ядро при каждом обращении к файлу или устройству, а не прикладная программа при запуске. Поэтому ограничение нельзя обойти, изменив саму программу.

Функция 6 · интерфейс пользователя

Интерфейс пользователя: командная строка и графическая среда

• ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙСДоступные действия представлены на экране, запоминание команд не требуется. Последовательность из двадцати операций указателем не сохраняется и не воспроизводится автоматически.
• КОМАНДНАЯ СТРОКАТребует знания имён команд, но каждая команда представляет собой текст. Строка mkdir -p проект/отчёты && cp *.md проект/отчёты/ сохраняется в сценарии, помещается в репозиторий и воспроизводится на другой машине без изменений.
• СЕРВЕРНЫЕ УСТАНОВКИСистему устанавливают без графической среды: она расходует память и процессорное время на интерфейс, который не используется.

Смежные вопросы темы

Загрузка операционной системы и системный журнал

1. Прошивка UEFI

   Проверяет состав и исправность оборудования, после чего находит загрузчик на системном накопителе.

2. Загрузчик

   В Ubuntu используется GRUB: отображает меню выбора и помещает образ ядра в оперативную память.

3. Ядро

   Инициализирует управление памятью и устройствами, монтирует корневую файловую систему.

4. Первый процесс

   systemd запускает системные службы в требуемом порядке и доводит систему до экрана входа.

Признак 1 · уточнение

Кооперативная и вытесняющая многозадачность

Признак 3 · назначение · часть 1

Классификация по назначению: системы общего назначения

1. Настольная · Windows 11, Ubuntu Desktop, macOS

   Оптимизируется время отклика на действия пользователя. В состав входят графическая среда, подсистема звука, драйверы печатающих устройств и камер. Ресурсы отдаются активному окну, фоновые задачи получают их по остаточному принципу.

2. Серверная · Ubuntu Server, Windows Server

   Оптимизируются непрерывность работы служб и пропускная способность. Графическая среда обычно отсутствует, управление ведётся через терминал и удалённый доступ, обновления выполняются по плану, а не по появлению.

3. Мобильная · Android, iOS

   Оптимизируется энергопотребление. Фоновая активность приложений ограничивается системой, приложения изолируются друг от друга, доступ к камере, геопозиции и файлам выдаётся по явным разрешениям пользователя.

Признак 3 · назначение · часть 2

Классификация по назначению: специализированные системы

1. Встраиваемая · маршрутизатор, телевизор, счётчик, автомобильная магнитола

   Работает при малом объёме памяти, часто без дисплея и клавиатуры, обновляется редко. Применяются сокращённые сборки Linux или специализированные системы, размещаемые в постоянной памяти устройства.

2. Реального времени · FreeRTOS, QNX, VxWorks

   Обеспечивается гарантированное время реакции на внешнее событие. Признак рассматривается отдельно на следующем экране, поскольку определяется не областью применения, а свойством планировщика.

3. Пограничный случай · одноплатные компьютеры

   На платах класса Raspberry Pi работает обычный дистрибутив Linux. Одно и то же ядро применяется и в серверах, и во встраиваемых устройствах, поэтому назначение системы определяется её конфигурацией, а не составом ядра.

Признак 3 · чем обеспечивается гарантия

Различия систем реального времени и систем общего назначения

1. Детерминированный планировщик

   Нормируется не среднее, а максимальное время реакции. Для системы реального времени это значение должно быть обосновано расчётом и подтверждено испытаниями, а не получено усреднением измерений.

2. Пропускная способность как цена гарантии

   Объём работы, выполняемой за единицу времени, у такой системы ниже, чем у системы общего назначения. Часть ресурсов резервируется под наихудший случай и в обычном режиме не используется.

3. Почему Windows и Linux к этому классу не относятся

   Обе системы оптимизируют среднее время отклика. Фоновая задача способна задержать выполнение процесса на сотни миллисекунд, и штатных средств запретить такую задержку в системе не предусмотрено.

Признаки 4, 5 и 6

Классификация по интерфейсу, разрядности и типу лицензии

1. Интерфейс: командный, графический, комбинированный

   Большинство современных систем комбинированные: Ubuntu включает среду GNOME и терминал, Windows — графическую оболочку и PowerShell. Чисто командными остаются серверные установки.

2. Разрядность: 32 или 64 бита

   Определяет предельный объём адресуемой памяти и требует соответствующей сборки программ. Разрядность должна соответствовать архитектуре процессора — этот вопрос разбирался при выборе ISO-образа.

3. Лицензия: открытая или проприетарная

   Открытая лицензия даёт доступ к исходному коду с правом изменения и распространения, проприетарная таких прав не предоставляет. Windows и macOS проприетарные, Ubuntu и Debian открытые. Открытая лицензия при этом не означает бесплатного распространения: Red Hat Enterprise Linux поставляется с открытым кодом и платной поддержкой.

Архитектура · три подхода

Архитектура ядра: монолитное ядро, микроядро, гибридное ядро

Семейства систем

Современные семейства операционных систем

WindowsЯДРО NT · 1993

Настольные и серверные редакции одной линии. Гибридное ядро, файловая система NTFS, проприетарная лицензия.

LinuxЯДРО · 1991

Ядро, на основе которого формируются дистрибутивы: от серверов и рабочих станций до сетевого оборудования и мобильных устройств.

macOSЯДРО XNU · 2001

Основана на разработках BSD и Mach. Этим объясняется наличие в macOS UNIX-совместимого терминала наряду с графической средой.

BSDОТ UNIX · 1977

FreeBSD, OpenBSD, NetBSD. Самостоятельная ветвь UNIX; часть кода BSD вошла в macOS и в сетевые подсистемы других операционных систем.

Android и iOSМОБИЛЬНЫЕ · 2007–2008

Android построен на ядре Linux, iOS — на ядре XNU, общем с macOS. Различия между настольными и мобильными системами определяются окружением, а не ядром.

Дистрибутивы Linux

Дистрибутивы Linux и их различия

UbuntuОСНОВАН НА DEBIAN

Фиксированный график выпусков, версии LTS с длительным сроком поддержки. Используется в лабораторных работах курса.

DebianС 1993 ГОДА

Приоритет отдан стабильности: пакет включается в стабильный выпуск после длительной проверки. Служит основой для многих других дистрибутивов.

FedoraСВЯЗАНА С RED HAT

Новые версии компонентов включаются раньше, чем в других дистрибутивах. Служит площадкой апробации решений, впоследствии переносимых в корпоративные системы.

Arch LinuxНЕПРЕРЫВНЫЕ ОБНОВЛЕНИЯ

Система формируется пользователем из минимального набора компонентов. Обновления поступают без задержки, настройка выполняется вручную.

Сравнение · три настольные системы

Сравнение Windows 11, Ubuntu Desktop и macOS

Разбор · четыре типичные формулировки

Разбор типичных ошибок в определениях

Итог занятия · перечень результатов

Итоги занятия: проверяемые результаты

• Назвать уровни между прикладной программой и аппаратным обеспечением и функции каждого из нихЭКРАНЫ 05, 24
• Объяснить назначение двух режимов работы процессора на примере системного вызоваЭКРАН 10
• Соотнести три этапа развития систем с тремя функциями современной ОСЭКРАНЫ 12–23
• Разграничить понятия процесса, потока выполнения и программы на накопителеЭКРАНЫ 25, 26
• Классифицировать собственную систему по шести признакам с обоснованием каждогоЭКРАН 46
• Разграничить понятия ядра, дистрибутива и оболочкиЭКРАН 47

Домашнее задание № 2 · к следующему занятию

Максим Николаевич не хочет задавать домашнее задание. Но очень хочет

1. 1
   Классифицировать собственную систему по шести признакам

   Файл reports/os-types.md. Для каждого признака указываются значение, обоснование и наблюдение на собственном компьютере, подтверждающее вывод. К трём признакам из шести прилагается снимок экрана.

2. 2
   Сравнить собственную систему с Ubuntu на виртуальной машине

   Таблица из пяти строк: ядро, файловая система, установка программ, оболочка, лицензия. Значения для Ubuntu определяются в собственной виртуальной машине командами uname -r, lsb_release -a и df -hT, а не берутся из внешних источников.

3. 3
   Разобрать один этап хронологии и его последствие

   Записка на 8–12 строк: исходное состояние, предложенное решение, функция современной ОС, развившаяся из него, и цена этого решения. Событие выбирается из восьми этапов хронологии.

Домашнее задание № 2 · порядок сдачи

Куда положить и как сдать

Про ИИ: значения, наблюдения и вывод команд собираете сами — в этом и состоит задание, а характеристики вашего компьютера модели неизвестны. Оформление .md и редактуру формулировок можно поручить модели. Я сам так делаю всегда, поэтому и вам запрещать не буду. Содержание работы должно остаться вашим: классификацию вы будете объяснять на приёмке.