Слайды к первой лекции курса операционные системы в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Видео можно посмотреть на канале http://www.youtube.com/playlist?list=PLjSDyY6BQPVe2Zhxew5rJy2S-2_9t1vvn

1. Операционные
Системы
1. Введение
Брагин Алексей Владимирович
aleksey@reactos.org
ИУ9, МГТУ им. Н.Э. Баумана

2. В этой лекции…
• Организационная часть
• Обзор курса
• Об авторе
• Общая структура курса
• Правила
• Операционные системы
• Что это?
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 2

3. Информационные Ресурсы
• Вся актуальная информация по курсу:
http://www.reactos.org/wiki/Study
• Информация по ReactOS
• Список рассылки. Только для технических вопросов,
англоязычный!
ros-dev@reactos.org
• Техническое вики проекта ReactOS
http://www.reactos.org/wiki
• А.С.Танненбаум «Современные ОС» - основа
• в помощь!
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 3

4. Обзор курса
• Один семестр
• Два модуля
• Общая теория построения ОС
• Практика реализации ОС
• Лабораторные работы
• Практические задачи, связанные с внутренним
устройством ОС
• Вы научитесь
• Компилировать ОС собственными силами
• Модифицировать ядро и компоненты ОС
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 4

5. Обзор курса. Результаты
• Что вы узнаете из этого курса?
• Основные компоненты большинства ОС
• Архитектура ОС
• Наиболее важные интерфейсы и алгоритмы
• Как сделаны популярные, современные ОС
• Как сделаны малоизвестные, исследовательские ОС
• Зачем?
• Большинство из вас не будет разрабатывать ОС
• Но любой учёный или инженер должен понимать основы,
или «как оно работает»
• Знания из этого курса помогут понять, как сделать лучшее
ПО, и найти лучший компромисс при разработке ПО.
• Это интересно
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 5

6. Что такое Операционная Система?
• Современный «компьютер» состоит из:
• Одного или нескольких процессоров
• Основной памяти
• Дополнительной памяти
• Периферийного оборудования
• Ввод, вывод
• Хранение
• Для управления всем этим нужно особое ПО –
операционная система
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 6

7. Что такое ОС? (2)
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 7
Прикладное ПО (браузер,
мессенджер, и т.п.)
Интерфейс пользователя
Операционная система
«Железо»
• ОС – это всё то, что не нужно писать
программисту при разработке прикладного ПО

8. Что такое ОС? (3)
• ОС – это библиотека, и
• с одной стороны это так:
• все операции ввода/вывода требуют вызовов ОС
(системные вызовы)
• с другой стороны это не так:
• Процессор и память используются без системных вызовов
• ОС может сама вмешиваться в процесс выполнения
• ОС – это расширенная машина
• Абстрагирует плохой интерфейс железа
• ОС – это менеджер ресурсов
• Позволяет программам работать одновременно
• Управляет памятью, вводом/выводом, и пр.
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 8

9. История операционных систем
• Почему ОС существуют в том виде, в котором
они есть сейчас
• Определить функции современных ОС
• Развитие смартфонов повторяет историю
развития ПК
© 2013 Брагин А.В. 9

10. Эволюция ОС
• Последовательное выполнение заданий
• Простая пакетная обработка (batch systems)
• Мультипрограммирование в пакетных системах
• Разделение времени (time sharing)
• Современные операционные системы
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 10

11. Последовательное выполнение
• Самый ранний этап
• Операционная система отсутствует
• Программист работает напрямую с аппаратурой
• Проблемы
• Много времени тратится на то, чтобы подготовить
программу к запуску
• Прямой доступ ко всему оборудованию
• Сложно программировать
• Отсутствие понятий автоматизированного
планирования заданий
• Пользователи резервировали своё вычислительное время в
специальном расписании
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 11

12. Простая пакетная обработка
• Пакетная обработка (batch processing)
• Уменьшение времени подготовки программ за счёт
группировки подобных заданий
• Это и были первые мейнфреймы
• Автоматическое последовательное выполнение
заданий, автоматическая передача управления от
одной задачи к другой. Возник язык управления
заданиями Job Control Language (JCL)
• Резидентный монитор
• Предшественник операционной системы
• Управление процессором переключалось между
монитором и пользовательской программой
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 12

13. Простая пакетная обработка (2)
• Резидентный монитор
• Постоянно находится в памяти
• Управляет последовательностью событий
• Включает интерпретатор языка JCL
• Работа монитора
• Загрузка заданий
• Пользовательская программа
• Дополнительная программа (напр. компилятор)
• Данные для обработки
• Загрузка дополнительных нерезидентных частей
монитора и общих функций, необходимых для
программ (т.н. «загрузка по требованию»)
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 13

14. Простая пакетная обработка (3)
• Монитор
• Управляет последовательностью действий
• Цикл выполнения
• Монитор загружает задачу и передаёт управление загруженной
программе
• Программа выполняется
• Когда программа завершила выполнение, управление возвращается
монитору
• Процессор
• Вначале выполняет инструкции из памяти, в которой находится
монитор
• Во время выполнения может быть загружена задача и
процессор будет выполнять пользовательскую программу
• Передача управления заданию: процессор выполняет инструкции из
области памяти, где находится пользовательская программа
• Передача управления обратно монитору: процессор выполняет
инструкции из области памяти, где находится монитор
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 14

15. Простая пакетная обработка (4)
• Общие наблюдения
• Пользовательская программа может содержать ошибки
• Опасно для всей вычислительной системы
• Может перезаписать ту область памяти, в которой находится
монитор (или операционная система)
• Задача может не передать управление обратно в монитор
(зациклилась)
• «Не изобретать велосипед»
• Многие пользовательские программы выполняет похожие
действия
• Нужна библиотека подпрограмм, которые реализуют функции,
требуемые всеми программами, напр. операции
ввода/вывода
• Эти проблемы и определяли дальнейшее развитие и
архитектуру операционных систем
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 15

16. Поддержка в аппаратуре
• Защита памяти для ОС
• Разделение памяти на область ОС и область пользователя
• Процессор обнаруживает недопустимое обращение к
памяти и прерывает выполнение задания
• Привилегированные инструкции
• Могут выполняться только операционной системой
• Процессор обнаруживает недопустимую инструкцию и
прерывает выполнение задания
• Таймер
• Устанавливать временные ограничения на задачи
• Прерывания
• Дают ОС больше гибкости в управлении
пользовательскими программами
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 16

17. Режимы работы в современных ОС
• режим пользователя (user mode)
• некоторые области памяти защищены
• некоторые инструкции запрещены
• режим ядра (kernel mode)
• функции операционной системы
• разрешён доступ к защищённым областям памяти
• разрешено исполнение привилегированных
инструкций
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 17

18. Системы разделения времени
• Интерактивность
• Несколько пользователей могут одновременно работать с системой
через терминалы
• Пользователи взаимодействуют через терминальную сессию или
оболочку, которая понимает команды, необходимые для запуска
программ
• ОС распределяет процессорное время между пользовательскими
программами
• Каждой программе пользователя выделяется короткий период
или квант процессорного времени
• Когда с системой работают N пользователей, каждому пользователю
будет выделено 1/N эффективной вычислительной мощности (а также
ещё есть накладные расходы на саму ОС)
• Т.к. человек «медленнее» в сравнении со скоростью процессора, то
время ответа такого разделённого компьютера может быть близко ко
времени ответа выделенного компьютера
• Цели
• Быстрое время ответа
• Пользователю нужен ответ от компьютера как можно быстрее
• Разделение времени создаёт иллюзию, что ему доступен весь компьютер
целиком
• Максимизация использования процессора: больше программ – больше
время ответа
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 18

19. Современные ОС
• UNIX
• Apple Macintosh
• Microsoft Windows
• Свободное ПО – GNU
• Minix – AST
• Linux
• ReactOS
• Встраиваемые ОС
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 19

20. UNIX
• Философия – Ken Thompson и Dennis Ritchie
• Короткий, простой, модульный код
• UNiplexed Information and Computing Service
• Разработана в 1969 в Bell Systems для PDP-7
• В 1973 переписана на новом языке С
• BCPL -> B -> C
• Возникли многие производные системы
• BSD, AIX (IBM), HP-UX (HP), IRIX (SGI), Solaris (Sun)
• Linux, FreeBSD
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 20

21. Apple Macintosh
• MacOS
• 1984 – Motorola 68000
• 1998 – PowerPC
• MacOS X
• 1998 – PowerPC
• 2006 – Intel x86, x64, ARM
• XNU – X is Not Unix
• Гибридное ядро (Mach + BSD)
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 21

22. IBM / Microsoft Windows
• 1981 Персональный Компьютер IBM (MS/DOS)
• 1993 – Windows NT 3.1
• 1996 – Windows NT 4.0
• 2000 – Windows NT 5.0 (2000)
• 2001 – Windows NT 5.1 (XP)
• 2009 – Windows NT 6.1 (7)
• 2013 – Windows NT 6.2 (8)
• 2015 – Windows NT ?.? (10)
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 22

23. Свободное ПО - GNU
• Проект GNU начат в 1984
• GNU is Not Unix
• Цель – свободный UNIX
• 1ый шаг: свободные UNIX утилиты
• Компилятор
• Библиотеки
• Emacs
• Bash
• 2ой шаг: …
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 23

24. Minix – Andrew Tannenbaum
• 1987 – Mini Unix от Andrew Tannenbaum
• Minix 3 – маленькая микроядерная ОС
• Совместимая с NetBSD
• Главным образом для учебных целей
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 24

25. Linux – Linus Torvalds
• 1 версия вышла в 1991
• UNIX Linus’а = Linux
• Linux – ядро для GNU
• GNU/Linux - ОС
• Вместе со всем тем, что сделал Richard Stallman в
рамках проекта GNU
• Дистрибутивы: RedHat, Debian, Ubuntu и ещё 999
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 25

26. ReactOS
• С 1997 появились первые сборки
• Свободная реализация Windows NT 5.1
• Совместима с драйверами и ПО для Windows
• Схожие с GNU и Linux принципы:
• GNU: сделаем свободный UNIX
• Linux: сделаем свободное UNIX-ядро
• ReactOS: сделаем свободный Windows
(ядро+утилиты)
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 26

27. Встраиваемые ОС
• ОС для мобильных устройств
• Android от Google
• Tizen от Samsung
• Sailfish от Jolla
• ...
© 2015 Брагин А.В. aleksey@reactos.org 27