Призначення та склад операційних систем.

Класифікація програмного забезпечення обчислювальних систем. Предмет та задачі СПЗ.

В загальному випадку обчислювальна система складається з двох взаємодоповнюючих і взаємодіючих елементів: апаратне й програмне забезпечення.

В склад апаратного середовища входять: мікропроцесор (який і загальному випадку складається з АЛП, регістрів та пристрою керування); ОЗП; периферійні пристрої.

ОЗП ділиться на комірки, кожна з яких має свій номер (адресу). Кожна комірка містить інформацію яка може інтерпретуватися мікропроцесором як команди або дані. Периферійні або зовнішні пристрої здійснюють ввід/вивід та зберігання інформації.

Прикладне програмне забезпечення – це сукупність програм призначених для вирішення конкретних задач користувача.

Системне програмне забезпечення – це сукупність програмних та мовних засобів призначених для підтримки функціонування обчислювальної системи та найбільш ефективного виконання поставленої задачі.

Операційна система – це комплекс керуючих програм які забезпечують технічне функціонування обчислювальної системи, діагностику несправностей, планування використання ресурсів системи та вирішення задач по завданню користувачів. Операційні системи здійснюють також ввід/вивід інформації та обмін даними між різними компонентами системи. Як правило, операційну систему розглядають як продовження апаратної частини комп’ютера. Тому ще однією задачею ОС є керування виконанням завдань користувачів з метою максимального підвищення продуктивності обчислювальної системи.

Системи програмування – це комплекс програм призначених для автоматизації процесу розробки програмного забезпечення.

Метою (предметом) вивчення дисципліни СПЗ є вивчення теорії та дослідження методів розробки та експлуатації операційних систем та систем програмування, а також їх елементів.

Еволюція СПЗ.

Операційні системи почали розроблятися для ЕОМ 2 покоління, тому що збільшувався об’єм інформації який потрібно було обробляти за короткий проміжок часу. Крім того ЕОМ ширше почали використовувати для наукових і економічних розрахунків. З іншої сторони розвиток електроніки давав змогу значно збільшувати швидкодію апаратного забезпечення. Тому актуальною була задача створювати програмні засоби які б дозволяли автоматизувати роботу обслуговуючого персоналу пов’язану з завантаженням ЕОМ завданнями користувачів. Таким чином в ЕОМ 2 покоління були розроблені окремі елементи системного програмного забезпечення які дозволяли вирішити такі задачі.

Перші повномасштабні операційні системи з’явилися в ЕОМ 3 покоління. Вони представляли собою повномасштабні пакети програм які постійно знаходилися в ОЗП машини. Окрема частина ОС яка постійно знаходиться в ОЗП називається ядром системи. Інша частина, як правило, зберігається на зовнішніх носіях зберігання інформації і тому називається транзитною.

Операційні системи в ЕОМ 3 покоління працювали в мультипрограмному режимі. При якому в ЕОМ поступала велика кількість задач користувача, що для своєї роботи вимагала ресурсів ЕОМ. До ресурсів відноситься все, що обчислювальна система може дати користувачу:

· час процесора;

· місце в ОЗП;

· зовнішня пам’ять пристроїв вводу/виводу;

· консоль;

· окремі системні програми, тощо.

В ЕОМ 4 покоління, зокрема в ПК, основним завданням ОС та СПЗ в цілому є забезпечення виконання задач одного користувача.

Операційні системи для ЕОМ 4 покоління (ПК) розділяються на 3 групи:

1) найпростіші ОС призначені для обслуговування тільки одного користувача. В кожний момент часу в пам’яті тільки одна програма. В склад ядра ОС входять декілька найпростіших програм;

2) інструментальні однокористувацькі ОС. Як правило, розрахований на роботу з ОЗП великої ємності. В склад ядра ОС входять програми керування периферійними пристроями та файловою системою. Для таких ОС розроблено великий комплекс системного програмного забезпечення;

3) багатокористувацькі і багатозадачні ОС. Для високопродуктивних комп’ютерів. Можуть виконувати багато задач одночасно та взаємодіяти з багатьма користувачами. На сьогодні мають розроблений великий фонд СПЗ.

Для виконання програми необхідно як мінімум два ресурси: оперативна пам’ять, для зберігання коду і даних команд та мікропроцесор, для її виконання.

Завдання ОС – розподіл ресурсів обчислювальної системи, керування апаратним забезпеченням та організація виконання програм.

Операційна система може працювати в одному з 3 режимів:

1) однопрограмний – всі ресурси обчислювальної системи надаються лише одній програмі, яка здійснює обробку даних;

2) багатопрограмний – в цьому режимі кілька незалежних одна від одної програм здійснюють обробку даних одночасно (паралельно). При цьому ці програми розділяють деякі ресурси обчислювальної між собою. Основою для такого режиму є суміщення в часі виконання програми мікропроцесором та звернення програми до периферійних пристроїв. Перевагою мультипрограмного режиму є більш ефективне використання ресурсів обчислювальної системи та збільшення її пропускної здатності (середня кількість програм виконаних за одиницю часу). В мультипрограмному режимі в оперативній пам’яті обчислювальної системи одночасно знаходяться декілька програм, однак в кожний момент часу процесор виконує тільки одну з них;

3) багатозадачний – виконання декількох задач є скоординованою з метою досягнення однієї спільної мети.

Рис. 1. Однопрограмний та багатопрограмний режим роботи ОС.

Для того щоб ініціалізувати обмін програми з периферійними пристроями вона звертається до ОС. Реагуючи на таке звернення ОС передає периферійному пристрою команду почати обмін даними з відповідними програмами, а потім перемикає мікропроцесор на виконання іншої програми. Після завершення периферійними пристроями обміну даними програма, яка ініціювала цей обмін знову готова до її виконання на мікропроцесорі.

Виконання обчислювальною машиною програми, яка здійснює обробку даних називається обчислювальним процесом. Часто замість терміну процес використовують термін задача. У випадку багатопрограмного режиму роботи кожна із задач є логічно незалежною від іншої задачі. Задачі в процесі виконання не взаємодіють між собою.

Багатозадачний режим здійснюється так. Для цього в складі ОС повинні бути засоби, які дозволяють задачам взаємодіяти між собою. В цьому режимі програми можуть виконуватись як паралельно, так і послідовно, в залежності від конкретних умов, які виникають в результаті взаємодії процесів. Таким чином один з основних призначень будь – якої ОС є забезпечення роботи обчислювальної системи, в одному з описаних вище режимах, динамічний розподіл ресурсів обчислювальної системи та керування обчислювальними системними процесами в залежності від вимог користувача.

Ресурс – всякий об’єкт, який може бути розподіленим між обчислювальними процесами.

До апаратних ресурсів обчислювальних систем відносяться: мікропроцесор; периферійні пристрої. До програмних – системне програмування; засоби керування пристроями та файлами; бібліотеки програм; засоби керування задачами.

Операційна система розподіляє ресурси у відповідності з запитами користувачів, можливостями апаратного забезпечення та взаємодії обчислювальних процесів. Ресурс працює в режимі розподілу, якщо кожен з обчислювальних процесів і займає його протягом певного інтервалу часу. ОС забезпечує взаємодію користувача і обчислювальної системи. Також операційна система звільняє користувача від обов’язку розподілу ресурсів та керування ними. Крім цього ОС здійснює аналіз запитів користувачів і забезпечує їх виконання. Запит відображає необхідні ресурси ЕОМ, необхідні дії та представляється послідовністю команд по внутрішній мові ОС. Така послідовність команд називається завданням. Завдання в свою чергу розподіляється на задачі.

Призначення та склад операційних систем.

В залежності від режиму виконання запиту користувача, операційні системи поділяються на:

1) ОС пакетної обробки – це система, яка обробляє пакет завдань, які підготовлені одним або декількома користувачами. Пакет завдань поступає на обробку з периферійних пристроїв, взаємодія користувача зі своїм завданням під час обробки неможлива. Обчислювальні системи під керуванням ОС пакетної обробки можуть працювати в одно та багатопрограмних режимах.

2) ОС розподілу часу – забезпечують одночасне обслуговування багатьох користувачів, дозволяючи при цьому кожному з них взаємодіяти зі своїм завданням в режимі діалогу. Ефект одночасного обслуговування досягається розподілом процесорного часу та інших ресурсів обчислювальної системи між кількома обчислювальними процесами, які відповідають окремим завданням користувачів. ОС надає ресурс комп’ютера кожному обчислювальному процесу на певний невеликий проміжок часу (квант часу). Якщо обчислювальний процес не закінчив своє виконання до кінця свого певного кванту часу, його виконання переривається і він заноситься в чергу процесів віддавши ресурси ЕОМ іншому процесу. ОС розподілу часу працюють як правило, як правило, в багатопрограмному режимі.

3) ОС реального часу – повинні гарантувати виконання запитів користувачів за певний заданий відрізок часу. Запити в таких системах надходять як від користувачів, так і від зовнішніх пристроїв і при цьому швидкість виконання обчислювальних процесів повинна бути узгоджена зі швидкістю процесів, які виконуються поза обчислювальною системамою, що керує ними. Час відповіді на запит не повинен перевищувати певних заданих значень реального часу (сек., хв., год.). Необхідний час відповіді системи визначається властивостями об’єктів які вона обслуговує. Обчислювальні системи під керівництвом таких ОС, як правило, працюють у багатозадачному режимі.

4) Діалогові ОС – отримали широке розповсюдження для ПК. Їхньою метою є забезпечення зручної форми діалогу з користувачем. Для виконання частовиконуваних задач вони мають можливість пакетної обробки під керуванням діалогової ОС, коли може працювати в одному з 3-х вище перелічених режимів. Операційна система в загальному випадку складається з ядра та набору системних програм і даних. Ядро здійснює організацію взаємодій користувачів з обчислювальними системами, керування розподілів ресурсів та забезпечення необхідного режиму функціонування ЕОМ, завантаження і контроль виконання програм, обмін даними з периферійними пристроями та керування файлами. Системні програми обслуговують зовнішні пристрої, здійснюють безпосередні файлові операції, підготовку та ввід вхідної інформації, вивід результатів обчислень, а також зберігання і виконання програм.