Особенности ОС для различных классов компьютерных систем. ОС реального времени. ОС для облачных вычислений

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

Чтобы лучше понять, каковы особенности ОС для различных классов компьютерных систем и устройств, рассмотрим несколько более подробно особенности этих устройств и обсудим соответствующую специфику их операционных систем.

Особенности ОС для персональных компьютеров

В "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" мы анализировали особенности ОС для более ранних компьютеров общего назначения (mainframes). Что же изменилось в самих компьютерах и их операционных системах с появлением персональных компьютеров – настольных и портативных, которые ныне являются самыми распространенными компьютерными системами?

Персональные компьютеры предназначены, как правило, для одного пользователя. Тем не менее, ОС для персональных компьютеров должна предусматривать режим мультипрограммирования (многозадачности), так как пользователям подчас удобнее выполнять несколько заданий параллельно – например, набирать некоторый текст в редакторе, принимать электронную почту и одновременно печатать на принтере какие-либо документы. Кроме того, при работе в локальной сети возможен удаленный вход на компьютер других пользователей. То есть, ОС для персональных компьютеров должна поддерживать также режим разделения времени.

Персональные компьютеры имеют разнообразный набор устройств ввода-вывода, работу с которыми должна поддерживать операционная система с помощью драйверов – низкоуровневых системных программ для управления этими устройствами. Для пользователя удобнее всего, если все необходимые драйверы встроены в операционную систему. Однако ситуация осложняется тем что драйверы устройств разрабатывает обычно фирма-разработчик соответствующего устройства - в англоязычной терминологии, Original Equipment Manufacturer (OEM),а не фирма-разработчик ОС. Поэтому при выпуске и установке на компьютер новой ОС могут возникнуть проблемы с драйверами – какое-либо устройство новая ОС "не понимает". На практике, должно пройти не менее двух-трех лет эксплуатации новой ОС, прежде чем для нее появятся драйверы для всех используемых внешних устройств, хотя в последнее время в этом отношении ситуация значительно улучшилась – новые ОС становятся все более "понятливыми" и имеют в своем составе огромные наборы драйверов.

Персональный компьютер имеет традиционные клавиатуру и мышь, обычно подключаемые через USB-порт, либо беспроводные клавиатуру и мышь, блок управления которых также подключается через USB-порт. Портативный компьютер может иметь также встроенный манипулятор типа trackball (шарик для перемещения курсора мыши) или touchpad (плоская пластинка для этой же цели). К компьютеру подключен монитор: для настольного компьютера – к порту VGA, для портативного – монитор встроен в компьютерную систему, но дополнительно может подключаться через порт VGA внешний монитор или мультимедийный проектор. К традиционным дополнительным внешним устройствам относится также принтер (подключается через порт USB, более старые модели – через так называемый параллельный порт,или LPT – аббревиатура от Line PrinTer. Реже используется сканер – устройство для оцифровки бумажных изображений, например, подписанных или рукописных документов. Сканер может также подключаться через порт USB, однако некоторые модели сканеров подключаются через другой интерфейс – SCSI, используемый и для жестких дисков (название произносится "скАзи"; о нем – чуть позже). Имеется внутренний жесткий диск (hard drive) емкостью 250 GB – 1 TB и более, подключаемый через интерфейс IDE (более старый) или SATA. Могут подключаться через порт USB также внешние накопители - flash-память, или "флэшки", имеющие миниатюрный размер и объем памяти до 128 гигабайт и более; ZIV drives и другие разновидности внешних жестких дисков, имеющие в настоящее время емкость до 1 терабайта. Операционная система должна обеспечивать их использование как части компьютерной системы (например, на внешний ZIV-диск может быть даже установлено программное обеспечение, в том числе - другая операционная система). Для настольного компьютера в комплект входит устройство чтения и записи компакт-дисков в различных форматах - CD-ROM, CD-RW (с возможностью записи на CD); DVD-ROM/DVD-RW; DVD-RAM (последнее означает устройство с режимом непосредственной записи на компакт-диск, как в память); BluRay – более современный формат компакт-дисков емкостью до 25 или 50 GB и др. Для ноутбука DVD-ROM, из соображений экономии веса и размеров, может отсутствовать и должен подключаться, по шутливому выражению автора, "на веревочке" – через USB-порт. Весьма важным внешним устройством, особенно для портативного компьютера, является порт для подключения цифровой видеокамеры (IEEE 1394, или FireWire), более миниатюрный, чем USB. Он имеет дуплексный режим работы, так что, например, перемотка видеоленты на видеокамере может запускаться программным путем с компьютера. Об адаптерах для беспроводной связи – Wi-Fi, Bluetooth, IrDA – мы уже говорили в "Понятие операционной системы (ОС), цели ее работы. Классификация компьютерных систем" .

Наиболее важными свойствами ОС для персонального компьютера должны быть, конечно, простота и удобство в использовании, дружественность к пользователю. Это достигается прежде всего, удобным и современным аппаратным и программным пользовательским интерфейсом, например, интерфейсом типа multi-touch (с доступом непосредственно к экрану), ноутбуками типа Tablet PC (с возможностью поворота экрана и ввода информации прикосновением к экрану).

При разработке ОС для ПК используются те же технологии, которые применяются и в "больших" ОС (для mainframe-компьютеров). Однако, поскольку пользователь имеет персональный доступ к компьютеру, он часто не нуждается в каких-либо системных программах для оптимизации работы процессора или в улучшенных средствах защиты (последней, однако, не следует пренебрегать и отключать ее, так как на компьютер возможны сетевые атаки).

Как мы уже говорили в "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" , на одном и том же персональном компьютере могут быть установлены, при необходимости, две или более операционных системы - такой компьютер носит название double bootable system, и при его включении пользователю выдается начальное меню для уточнения, какую именно ОС требуется запустить – boot loader (загрузчик ОС). Такое использование компьютера рекомендуется, например, для студентов, изучающих ОС и желающих попробовать новую операционную систему, либо изучить другую уже известную, на которую до сих пор не хватало времени, - например, установить на одном компьютере Windows и Linux. Для установки второй ОС необходимо воспользоваться специальной утилитой (например, Partition Magic ) для выделения на диске для инсталляции новой ОС отдельного раздела (partition) – смежной области дисковой памяти, имеющей определенное обозначение, чаще всего – в виде латинской буквы.

Персональные компьютеры имеют сетевые адаптеры (сетевые карты) – устройства для подключения к локальной сети. Соответственно, ОС для персональных компьютеров имеют в своем составе драйверы сетевых адаптеров и пользовательский интерфейс для настройки подключения компьютера к локальной сети (об этом подробнее – в специальном разделе данного курса, посвященном сетям).

Параллельные компьютерные системы и особенности их ОС.

Параллельные компьютерные системы – это мультипроцессорные системы с несколькими непосредственно взаимодействующими процессорами. Классические примеры: из зарубежных компьютеров - CRAY, из отечественных – "Эльбрус"; из более современных – компьютеры серии СКИФ. В настоящее время выпускаются мультипроцессорные рабочие станции - например, купив или получив в подарок настольный компьютер, Вы можете обнаружить в его составе два или даже четыре процессора. Соответственно, ОС должна обеспечивать реконфигурацию такой системы, подключение новых процессоров или удаление процессоров из системы, распараллеливание решения задачи на нескольких процессорах и синхронизацию решающих ее параллельных процессов.

Среди параллельных компьютеров выделяются тесно связанные (tightly coupled) системы, в которых процессоры разделяют общую память и таймер (такты); взаимодействие между ними происходит через общую память.

О параллельных компьютерах архитектур Very Long Instruction Word (VLIW) и Explicit Parallelism Instruction Computer (EPIC), в которых распараллеливание вычислений происходит на уровне команд, мы уже говорили в "Понятие операционной системы (ОС), цели ее работы. Классификация компьютерных систем" .

Многоядерные (multi-core) компьютеры (см. также "Понятие операционной системы (ОС), цели ее работы. Классификация компьютерных систем" ) – компьютерные системы, основанные на тесно связанных друг с другом процессорах ( ядрах ), находящихся в одном кристалле, разделяющих ассоциативную память (кэш) второго уровня и работающих на общей памяти.

Преимущества параллельной компьютерной системы:

1. Улучшенная производительность ( throughput ) – очевидно, что распараллеливание алгоритма решения задачи может позволить уменьшить суммарное время ее решения;
2. Экономичность – в параллельной системе ОС может поручить часть работы другому процессору или ядру;
3. Повышенная надежность – при сбое или отказе одного из процессоров ОС может переключить вычисления на другой процессор;
4. "Дружественное" к пользователю снижение производительности (graceful degradation) – если один из процессоров отказал и выведен из конфигурации, пользователь, при правильной организации компьютера и ОС, может даже не почувствовать замедления вычислений
5. Устойчивость к ошибкам (fail-soft system) – стабильная работа многопроцессорной системы при ошибке в аппаратуре или в программе.

Симметричные и асимметричные мультипроцессорные системы

Симметричная мультипроцессорная система - symmetric multiprocessing (SMP) – это многопроцессорная компьютерная система, все процессоры которой равноправны и используют одну и ту же копию ОС. Операционная система при этом может выполняться на любом процессоре. В такой системе любому свободному процессору может быть поручено любое задание. Все процессоры используют общую память и общие дисковые ресурсы. Несколько процессов (или потоков) могут исполняться одновременно без существенного нарушения производительности. Большинство современных ОС поддерживают архитектуру SMP. После инсталляции ОС (например, Linux) на симметричную мультипроцессорную систему пользователь может заметить в меню boot loader, что фактически на его компьютер установилась не одна, а две версии ОС – с поддержкой SMP и без нее.

Асимметричная мультипроцессорная система (asymmetric multiprocessing) – это многопроцессорная компьютерная система, в которой процессоры специализированы по своим функциям. Каждому процессору дается специфическое задание; главный процессор (master processor) планирует работу подчиненных процессоров (slave processors).В такой системе ОС, как правило, выполняется на одном определенном, закрепленном за ней, центральном процессоре. Подобная архитектура более типична для очень больших систем. Пример – система "Эльбрус", которая имела в своем составе, в зависимости от конфигурации, от одного до 10 центральных процессоров, от одного до четырех специализированных процессоров ввода вывода (ПВВ),от одного до четырех процессоров передачи данных (ППД).

Схема организации SMP-архитектуры компьютеров приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема организации SMP-архитектуры компьютеров