Лекция 2 Програмно осигуряване на компютърните системи

2.3 Операционни системи

В КС често се налага изпълнението на няколко взаимно конкуриращи се дейности. Например, в определен момент може да се печата някакъв документ, да се модифицира (редактира) друг документ и да се създава графическо изображение. За изпълнението на тези задачи е необходима висока степен на координация, гарантираща, че извършваните действия няма да оказват влияние едно на друго и връзката между заданията ще бъде ефективна и надеждна. Аналогични проблеми възникват, когато няколко машини се обединяват в едно цяло, образувайки компютърна мрежа. Решаването на тези проблеми се извършва от операционната система.

В периода 1940 – 1950 година електронно-изчислителните машини (ЕИМ) са били недостатъчно гъвкави и ефективни. Изпълнението на дадена програма е изисквало специална подготовка: позициониране на лентови устройства, комплектоване на перфокарти в четящо устройство, установяване на превключватели на управляващо табло и др. Пускането на една програма в тези условия се нарича задание (Job) и се извършва самостоятелно. За да се ползва машината от различни потребители, се прави специално разписание за резервиране на машинно време. По време на изпълнение на едно задание машината е напълно в разпореждане на това задание.

Първите опити за усъвършенстване процеса на подготовка и изпълнение на програмите на потребителите се отнасяли до ускоряване на прехода от едно задание към друго. За целта е трябвало потребителите да бъдат отделени от оборудването (управлението на електронно-изчислителните машини), за да се избегне постоянният поток от хора намиращи се помещенията с управляваща апаратура. Била въведена длъжност оператор на ЕИМ, чиято задача била да изпълнява всички операции, свързани с оборудването при изпълнение на дадена програма. Всеки потребител е трябвало да представи на оператора програмата си и заедно с нея необходимите данни и инструкции за изпълнението й, а след това да чака за получаване на резултатите от изпълнението на програмата. Операторът зареждал програмата на потребителя в основната памет на ЕИМ и от там операционната система е можела да започне изпълнението на програмата. Когато е било необходимо в едно задание да се изпълнят няколко последователни обработки, потребителят е подготвял последователните задачи в един общ пакет. Това е било началото на така наречената пакетна обработка на заданията – метод за изпълнение на заданията, посредством предварителното им обединяване в единен пакет, който по нататък се е изпълнявал без взаимодействие с потребителя. Заданията, очакващи своето изпълнение в масовата памет, са образували така наречената ‘опашка’ на заданията.

В ранните системи ЕИМ, при пакетната обработка всяко задание се е съпровождало с редица инструкции, описващи необходимите стъпки за подготовка на заданието за изпълнение. Тези инструкции са се записвали посредством специален език за управление на заданията (JCL – Job Control Language) и се комплектовали заедно с програмата в един пакет (обикновено перфокарти), който се предавал на оператора. Някои от инструкциите са изисквали вмешателство на оператора, най-вече когато е имало обръщения към някои периферни устройства.

Тъй като в съвременните компютърни системи тези действия са сведени до минимум, езикът JCL се е превърнал по скоро в език за комуникация с операционната система, отколкото с оператора на машината. Сега длъжността оператор на КС е ненужна, но някои от задълженията по организацията на процесите в компютърните мрежи са пренесени върху системните администратори.

Главният недостатък на традиционните системи за пакетна обработка на заданията е, че потребителят е лишен от възможността за взаимодействие с програмата. За избягване на този недостатък са разработени нови операционни системи, които позволяват при изпълнението на дадена програма да се осъществява диалог с потребителя, който е отделен от системата и работи на терминал или работна станция. Такъв режим се нарича диалогов режим на работа с компютърната система. За такъв режим на работа е необходимо действията, които изпълнява машината, да се координират с протичащите по време на обработката процеси. Тази координация на действията на машината се нарича обработка в реално време.

Когато КС изпълнява заданието само на един потребител, обработката на заданието в реално време не представлява проблем. Тъй като КС са доста скъпи съоръжения, се налага една машина да обслужва няколко потребителя. Обработката в реално време в този случай става доста по-трудна, тъй като няколко потребителя едновременно могат да поискат достъп до машинните ресурси и тогава би се получил конфликт. Решението на този проблем се състои в разработката на операционна система, която да организира постоянно редуване на изпълнението на отделни части от различните задания с помощта на процес на разделяне на времето. Този метод се заключава в разделяне на машинното време на интервали (кванти) с последващо ограничаване на времето за непрекъснато изпълнение на програмите до един квант. Когато изтече един квант за дадена програма, заданието на тази програма се снема от изпълнение и се изпълнява ново задание. Когато се изредят всички задания, отново се връща изпълнението на първото задание. При бързо редуване на заданията, остава впечатление за едновременно изпълнение на всички задания.

В съвременните КС разделянето на времето за изпълнение се използва както в многопотребителските системи, така и в системите с един потребител, но в така наречения многопрограмен режим. Този начин на организация на работата на КС е доста ефективен, въпреки неизбежната загуба на машинно време за превключване на системата за работа с различните задачи. Това време се компенсира в много голяма степен от времето на престой на процесорното устройство при операциите с периферните устройства. По този начин дори се повишава общата ефективност на КС, тъй като престоите на микропроцесора са много по-малки.

Частта от ОС, която обезпечава интерфейса с потребителя често се нарича обвивка на операционната система. Обвивката на съвременните КС се изпълнява посредством графически интерфейс на потребителя (Graphical User Interface – GUI), при който обработваният елемент (файл, програма) се представя на екрана на монитора с помоща на малки картинки, наричани икони. Системите, използващи GUI, позволяват на потребителя да въвежда команди, показвайки съответната икона с помоща на посочващото устройство (мишка). В по-старите операционни системи (DOS) обвивката осъществяваше диалога с потребителя посредством текстови съобщения, въвеждани от клавиатурата и изписвани върху екрана.

Въпреки че обвивката на ОС играе важна роля за функционирането на КС, тя все пак е само интерфейс (връзка) между потребителя и програмните елементи, които изпълняват функционалните действия на ОС. Различието между обвивката и вътрешните компоненти на ОС се обуславя и от възможността на съвременните ОС да предоставят на потребителя за избор на най-подходяща и удобна за работа обвивка. Например, системата UNIX дава възможност на потребителя да избере една от обвивките, обозначени като Borne, C или Korn. В ОС Windows е предвидена възможност за настройка на отделни елементи от обвивката, така че потребителят може да конфигурира свой, собствен стил на обвивка на ОС.

Главният компонент на съвременните графически обвивки се явява програмата за управление на прозорци, която разпределя отделните блокове от пространството на екрана на монитора, наричани прозорци и назначава за всяко приложение (програма) отделен прозорец. Когато дадено приложение трябва да изобрази нещо на екрана, то съобщава за това на програмата за управление на прозорците. Тази програма помества изображението, което генерира приложението в неговия прозорец. По същия начин, когато потребителят натисне клавиша на мишката, програмата за управление на прозорците определя положението на показалеца и уведомява съответното приложение за това действие на потребителя.

Съвкупността от вътрешните компоненти на операционнaтa системa, които изпълняват основните функции, поддържащи компютъра в работно състояние, обикновено се нарича ядро на ОС (Фиг.3.2). Основните елементи на ядрото на операционните системи са:

- Подсистема за управление на файловете. Една от най-важните компоненти на ядрото на ОС се явява програмата за управление на файловете. Голяма част от времето на КС се изразходва за въвеждане и извеждане на данни към и от външната памет. Това се осъществява от системата за управление на файловете (данните). Тя осигурява достъпа до програмите и данните от външната памет; надеждно и компактно съхраняване на информация на външни устройства; организира разпределението на пространството върху носителите на външните устройства. За да се осигури надеждно опериране с данните и програмите се въвежда понятието файл. Файлът е съвкупност от данни, разпределени в отделни групи, наречени записи. Цялата информация, което се съхранява на външни носители се оформя като файлове. Файлове са текстовете на програмите, документите, които се редактират с текстови редактори, графичните изображения и др.

Фиг 3.2 Компоненти на операционната система

- Подсистема за управление на паметта (ПУП). Тя извършва координация при работа на КС с оперативната памет. В режим на работа с много задачи или потребители тази програма играе съществена роля за управлението на процесите и използването на паметта. В такава ситуация в основната памет са разположени множество програми и блокове от данни, при което всяка програма трябва да има собствен дял от паметта. В процеса на работа потребността от памет за различните програми се променя и управляващата тези процеси компонента от ОС трябва да удовлетворява възникващите потребности на програмите.

-Подсистема за управление на процесите. Във всеки момент от време, независимо колко програми са заредени едновременно в паметта, компютърът изпълнява само един програмен процес (програма). Така е защото системата има само един микропроцесор. Съществуват и многопроцесорни системи, но за тях операционните системи имат друга архитектура.

Координацията при изпълнението на процесите изисква от подсистемата за управление на процесите да гарантира на всеки процес необходимите му ресурси (достъп до периферни устройства, оперативна памет, машинно време на централния процесор и др.). Освен това, независимите процеси не трябва да си влияят един на друг, а за тези, които трябва да обменят информация помежду си да се осигури такава възможност.

- Подсистема за управление на периферните устройства. Ефективността на цялата компютърна система се определя от оптималното разпределение на натоварването на отделните устройства. Операционната система притежава функционални възможности за упраление на работата на периферните устройства и оптимизиране на достъпа до тях. Към системата за управление на периферните устройства се отнася и наборът от драйвери на устройствата свързани в КС. Това са програми (елементи от програмното осигуряване), чрез които се осъществява връзката с контролерите на устройствата или непосредствено със самите устройства. Всеки драйвер се разработва специално за конкретния тип устройство (принтер, дисков контролер, монитор и др.). Той преобразува постъпващите заявки за използване на съответното устройство в команди за изпълнение на отделните физически операции от устройството. Посредством драйверните програми операционната система може да се настрои за работа с различни по тип устройства.

• 
  Модел “клиент/сървър”
  

При разработката на програмно обезпечаване съблюдаването на принципа на модела “клиент/сървър” позволява точно да се определи ролята на отделните елементи. Клиентът изпраща запитвания към сървъра и очаква отговор, а сървърът обслужва постъпващите запитвания и отговаря на клиентите. Ролята на сървъра не зависи от това дали клиентаът функционира на този компютър или на някаква отдалечена машина свързана в обща мрежа. Различия съществуват в програмното обезпечаване, използвано за взаимодействие между отделните компютри, но не и във взаимодействието между клиента и сървъра. В резултат, ако компонентите на някоя програмна система бъдат организирани като клиенти и сървъри те могат да изпълняват своите функции независимо дали функционират на една машина или на различни машини, разделени с голямо разстояние. Затова, ако програмното обезпечение, образуващо най-ниското ниво на системата, представлява средства за обмен на запитвания и отговори на тях, сървърите и клиентите могат да бъдат разпределени по машини с каква да е конфигурация.

2.3.3. Организация на компютърни мрежи

Едно от най-важните изисквания към съвременните компютърни системи е необходимостта от съвместно използване на информацията и ресурсите на различни машини. Затова компютрите могат да се обединяват в групи свързани помежду си машини, наричани компютърни мрежи. В миналото основната концепция беше една централна голяма машина да обслужва множество потребители (терминали, малки компютри). Сега по-често се използва концепцията множество малки компютърни машини да се обединяват в мрежа, в която потребителите ползват съвместно ресурсите, разпределени в цялата мрежа – принтери, скенери, програмни пакети, големи дискове или информация.

Голяма част от проблемите по координацията на работата при създаването на компютърните мрежи се отнася до частта от операционната система, която управлява обмена на данни между компютърните системи в мрежата. По същество програмното осигуряване за управление на мрежите може да се разглежда като мрежова операционна система и е естествено разширение на стандартните операционни системи за управление на една компютърна машина.

Всяка компютърна мрежа принадлежи към някоя от следните основни категории: локална изчислителна мрежа (LAN, Local Area Networks) и глобални изчислителни мрежи (WAN, Wide Area Networks). Локалната мрежа, като правило се състои от няколко компютъра, намиращи се в една сграда или в комплекс от сгради. Например, компютрите използвани в даден университет или в завод могат да се свържат в една LAN мрежа. Глобалната компютърна мрежа свързва компютри, намиращи се на голямо разстояние един от друг, например компютри, намиращи се в различни части на даден град, страна или света. Основната разлика между локалните и глобални мрежи се състои в различните технологии използвани за свързване на отделните компютърни системи.

Ако се свържат няколко съществуващи компютърни мрежи в една обща мрежа се получава мрежа от мрежи. Най-известната такава мрежа е глобалната мрежа Internet. Тя възниква през 1973 година с разработване на програма започната от американската агенция DARPA, извършваща изследвания за министерството на отбраната на САЩ. Целта е била да се разработят средства за свързване на разнообразни компютърни мрежи, които да работят надеждно като единна мрежа. Сега Internet е глобално обединение на голям брой локални и глобални мрежи, включваща милиони компютри по целия свят. Мрежите в Internet са свързани с помоща на специални машини, наричани маршрутизатори (шлюзове). Тяхната роля е да управляват пренасянето на информация между отделните мрежи в глобалната мрежа.

Internet може да се разглежда като обединение на мрежови клъстери (обособени глобални или локални мрежи), които се наричат домейни (domain). Всеки домеин обикновено се състои от мрежи, принадлежащи на някоя организация (университет, учреждение, министерство, голяма компания и други). Всеки домейн се явява автономна система.

Адресът на всяка машина в Internet се задава със символен низ от 32 бита, състоящ се от две части: първата част задава домейна, в който се намира машината, а втората определя конкретната машина в домейна. Частта от адреса определяща домейна се нарича мрежов идентификатор и се присвоява на домейна от организацията InterNIC (Internet Network Information Center - Център за мрежова информация в Internet). Това се извършва при регистрацията на домейна в InterNIC. Тази процедура гарантира, че всеки домейн ще има уникален мрежов идентификатор и ще бъде достъпен от всички домейни свързани в Internet.

Частта от адреса, определящ конкретната машина в домейна се нарича адрес на възела (host). Адресът на всеки възел се задава от локалния администратор на домейна. Адресът на една машина се съхранява в битова форма и изглежда по следния начин: 192.207.177.133. Отделните байтове в адреса обикновено се записват с точка между тях. Тук първите три тройки числа определят мрежовия идентификатор на домейна, а последните - номера на машината в домейна. Представянето на адреса в битова форма е неудобно за използване, поради което InterNIC присвоява на всеки домейн и уникален мнемоничен адрес, който се явява име на домейна. Така например, мнемоничния адрес на домейна на Югозападен университет е swu.bg.

Отбелязването на адресите в Internet с използване на точки няма отношение към десетичното представяне на числата. Те специфицират местоположението на дадена машина в сложната йерархическа структура на глобалната мрежа. Когато даден домейн е много голям, локалната админстрация може да го раздели на поддомейни и тогава мнемоническите адреси вътре в домейна стават по-дълги (съдържат имената на поддомейните).

2.3.4. Стартиране на операционната система

Стартирането на ОС се извършва с помощта на специален процес, наречен зареждане на ОС (bootig), който се изпълнява при стартирането на КС. Това се налага от самата организация на работата в КС. Централният процесор е разработен така, че винаги да изпълнява някаква програма. При стартирането на КС, в паметта няма заредена програма и затова е възприета стратегията CPU да се обръща към определен адрес, намиращ се в постоянната памет ROM, където трябва да има постоянна записана програма. От там процесорът трябва да прочете първата команда която да изпълнява. За да има сигурност, че там непременно ще има изпълнима команда, тази област от паметта трябва да е типът ROM памет.

Тъй като тази памет при компютърните системи с общо предназначение е само за начално стартиране на машината, тя обикновено е с малък обем. В други системи, които се използват за управление на машини и прибори (автомобили, електрически уреди), изпълняваните програми са постоянни и постоянната памет (ROM) трябва да е голяма.

В ROM паметта на КС с общо предназначение се намира малка програма за първоначално зареждане (bootstart). Тази програма се изпълнява автоматично, при всяко включване на компютъра. Тя задава на микропроцесора задача да прочете данни и програми, записани на някой от външните запомнящи устройства и да ги прехвърли в основната памет на компютъра (ОП). В повечето случаи тези данни и програми представляват операционната система. След зареждането на операционната система в оперативната памет, програмата за начално зареждане генерира команда към микропроцесора да започне изпълнението на програмите от ядрото на операционната система. По този начин се стартират програмите от ядрото на ОС и управлението на КС се прехвърля към операционната система.

В голяма част от съвременните компютърни системи програмата за начално зареждане е настроена така, че първоначално се опитва да зареди операционната система от флопидисковото устройство и ако не открие дискета в него, зарежда ОС от твърдия диск (Hard disk). Ако във флопидисковото устройство има дискета, но на нея не е записана операционната система (не е системна дискета), програмата за начално стартиране спира работата на системата и издава съобщение за липса на системен диск. Поредността на търсене на операционната система върху външните запомнящи устройства се задава чрез BIOS.
Графична обвивка на Windows

Основното работно пространство на Windows интерфейса се нарича Desktop. Това е главният прозорец, който се установява след стартиране на КС. Върху него се намират основните инструменти, чрез които Windows обслужва потребителите на КС.

В пространството на Desktop са разположени определен брой малки картини (икони). Всяка икона представя определен обект (програма) или папка в която са групирани програми, които могат да бъдат стартирани. Стартирането на програмите се извършва чрез двукратно натискане на бутона на мишката върху иконата на съответната програма.

В терминологията на Windows се използва широко терминът Folder (папка). Това понятие заменя понятието подкаталог (директория), което се използваше в по-ранните версии на DOS системите.

Разглеждане (проверка) на съдържанието на отделните дискови устройства (програми и файлове) може да се извърши по различен начин. В стандартната комплектовка на графичния интерфейс на Windows има два инструмента, които могат да се използват за тази цел. Това са My Computer и Windows Explorer. Първият се намира върху основният прозорец (Desktop) и се разполага още при инсталирането на системата, а вторият може да се позиционира при желание на потребителя.

Основна роля в организацията на работата с Windows играе така нареченият ред (бар) със задачите. Върху него се намира бутон Start – с него се отваря меню, в което има редица възможности за настройка на операционната система (settings); за търсене на файлове или подкаталози по различни признаци (Find); директно стартиране на програми и др. Едно от най-важните полета в стартовото меню е Programs. При избирането на това поле се отваря списък с програмите, които могат да бъдат стартирани от компютърната система. По време на работа върху реда със задачите се намират наименованията на програмите, които работят в дадения момент.

-стартиране посредством изведена икона на програмата върху Desktop-а на компютъра;

-чрез раздела Programs на Start менюто ;

-чрез Windows Explorer или от My Computer (двукратно натискане на бутона на мишката, позиционирана върху програмата).

Всяка програма се стартира в отделен прозорец.

В стандарта на Windows, отделните форми съдържат в десния си горен ъгъл набор от бутони, чрез които се управлява положението на формите върху Desktop-а.

Windows CE е версия на Windows, която Microsoft е разработила за използване в машини с ограничени апаратни възможности. Първоначално е създадена за джобни персонални компютри (Hand-held PC) и персонални цифрови помощници (Personal Digital Assistant - компютърни бележници). Microsoft се надява идеята за тази съкратена версия на Windows да намери приложение в много други битови електронни устройства (перални машини, аудио и видеотехника и др.).

Наред с DOS и Windows в компютърните системи се използват редица други операционни системи. Те не са намерили такова широко приложение както DOS и Windows, не защото имат по-лоши характеристики, а защото няма разработени достатъчно разнообразни приложни програми. В много отношения някои от другите операционни системи превъзхождат Windows, поради което и самата Windows постоянно се усъвършенства, възприемайки всички положителни идеи от развитието на другите операционни системи.

Различните операционни системи използват различни файлови организации за съхранение на данните върху постоянните запомнящи устройства. Почти всички операционните системи могат да четат файлове със структура на файловата система на DOS: FAT12 и FAT16. Много от тях, обаче, поддържат и собствена файлова система.

Windows 98 и следващите версии поддържат новата файлова система FAT32, но другите операционни системи не поддържат тази система. В OS/2 се използва файлова система High Performance File System (HPFS), която не е съвместима с файловите системи на DOS и Windows. Windows NT подържа файлова система New Technology File System (NTFS), с която работят новите версии на Windows – 2000 и XP.