Wykład IV

Rodzaje i zadania

systemów operacyjnych

Podstawy informatyki
Semestr I Transport
Semestr II Elektrotechnika

O czym będzie ?

Prześledzimy

rozwój

systemów

operacyjnych od pierwszych ręcznych
systemów

aż

po

obecne,

wieloprogramowe systemy z podziałem
czasu. Zrozumienie przyczyn rozwoju
systemów operacyjnych pozwoli nam
ocenić, co robi system operacyjny i w
jaki sposób.

O czym będzie ?

cd.

Aby zrozumieć, czym są systemy operacyjne, musimy

najpierw dowiedzieć się, jak one powstawały.
Dlatego też poznamy rozwój systemów operacyjnych od

pierwszych systemów bezpośrednich aż po obecne,

wieloprogramowe systemy z podziałem czasu.
Poznając kolejne stadia ich rozwoju, będziemy mogli

zobaczyć ewolucję współtworzących je elementów, które

powstawały jako naturalne rozwiązania problemów

pojawiających

się

we

wczesnych

systemach

komputerowych.
Zrozumienie przyczyn, które wyznaczyły rozwój systemów

operacyjnych, da nam pojęcie o tym, jakie zadania

wykonuje system operacyjny i w jaki sposób.

Wprowadzenie

System operacyjny jest programem, który

działa jako pośrednik między użytkownikiem

komputera a sprzętem komputerowym.
Zadaniem systemu operacyjnego jest tworzenie

środowiska,

w

którym

użytkownik

może

wykonywać programy.
Podstawowym celem systemu operacyjnego jest

zatem spowodowanie, aby system komputerowy

był wygodny w użyciu.
Drugim celem jest wydajna eksploatacja sprzętu

komputerowego.

Abstrakcyjne wyobrażenie

elementów systemu

komputerowego

System operacyjny

(ang.

operating

system) jest ważną

częścią prawie każdego

systemu

komputerowego.
System komputerowy

można

z

grubsza

podzielić

na

cztery

części: sprzęt, system

operacyjny, programy

użytkowe

i

użytkowników

System operacyjny to

nadzorca

i koordynator

Sprzęt (ang. hardware), czyli: procesor - zwany też jednostką

centralną (ang. central processing unit - CPU), pamięć i

urządzenia wejścia - wyjścia, to podstawowe zasoby systemu

komputerowego.
Programy użytkowe (aplikacje) - kompilatory, systemy baz

danych, gry komputerowe lub programy handlowe - określają

sposoby użycia tych zasobów do rozwiązania zadań stawianych

przez użytkowników.
Zazwyczaj istnieje wielu różnych użytkowników (ludzie, maszyny,

inne komputery) zmagających się z rozwiązywaniem różnych

zadań. Odpowiednio do rozmaitych potrzeb może istnieć wiele

różnych programów użytkowych.
System operacyjny nadzoruje i koordynuje posługiwanie się

sprzętem przez różne programy użytkowe, które pracują na

zlecenie różnych użytkowników.

System operacyjny tworzy

środowisko pracy dla innych

programów

System operacyjny jest podobny do rządu.
W skład systemu komputerowego wchodzą: sprzęt,
oprogramowanie i dane. System operacyjny
dostarcza środków do właściwego użycia tych
zasobów w działającym systemie komputerowym.
Podobnie jak rząd, system operacyjny nie wykonuje
sam żadnej użytecznej funkcji. Po prostu tworzy
środowisko (ang. environment), w którym inne
programy mogą wykonywać pożyteczne prace.

System operacyjny –

alokator zasobów

Możemy uważać system operacyjny za dystrybutora zasobów

(alokator zasobów; ang. resource allocator).
System komputerowy ma wiele zasobów (sprzęt i

oprogramowanie), które mogą być potrzebne do rozwiązania

zadania: czas procesora, obszar w pamięci operacyjnej lub w

pamięci plików, urządzenia wejścia - wyjścia itd.
System operacyjny spełni funkcję zarządcy owych dóbr i

przydziela je poszczególnym programom i użytkownikom

wówczas, gdy są one nieodzowne do wykonywania zadań.
Ponieważ często może dochodzić do konfliktów przy

zamawianiu zasobów, system operacyjny musi decydować o

przydziale zasobów poszczególnym zamawiającym, mając na

względzie wydajne i harmonijne działanie całego systemu

komputerowego.

System operacyjny jest

programem sterującym

Nieco inne spojrzenie na system operacyjny jest

związane z zapotrzebowaniem na sterowanie

rozmaitymi urządzeniami wejścia - wyjścia i

programami użytkownika.
System operacyjny jest programem sterującym

(ang. control program).
Program

sterujący

nadzoruje

działanie

programów użytkownika, przeciwdziała błędom i

zapobiega niewłaściwemu użyciu komputera.

Zajmuje

się

zwłaszcza

obsługiwaniem

i

kontrolowaniem pracy urządzeń wejścia - wyjścia.

System operacyjny realizuje

wspólne operacje na potrzeby

programów użytkowych

Nie ma wszakże w pełni adekwatnej definicji systemu

operacyjnego.
Istnienie systemów operacyjnych jest uzasadnione tym, że

umożliwiają one rozsądne rozwiązywanie problemu kreowania

użytecznego systemu obliczeniowego.
Podstawowym celem systemów komputerowych jest wykonywanie

programów użytkownika i ułatwianie rozwiązywania stawianych

przez użytkownika problemów. Do spełnienia tego celu konstruuje

się sprzęt komputerowy. Ponieważ posługiwanie się samym

sprzętem nie jest szczególnie wygodne, opracowuje się programy

użytkowe.
Rozmaite programy wymagają pewnych wspólnych operacji, takich

jak sterowanie pracą urządzeń wejścia - wyjścia. Wspólne funkcje

sterowania i przydzielania zasobów gromadzi się zatem w jednym

fragmencie oprogramowania - systemie operacyjnym.

Nie jest jasno określone co

powinno wchodzić w skład

systemu operacyjnego

Nie ma również uniwersalnie akceptowanej definicji tego, co jest, a

co nie jest częścią systemu operacyjnego. Przyjmuje się w

uproszczeniu, że należy wziąć pod uwagę to wszystko, co

dostawca wysyła w odpowiedzi na nasze zamówienie na „system

operacyjny”.
Jednakże w zależności od rodzaju systemu zapotrzebowanie na

pamięć oraz oferowane właściwości bywają bardzo zróżnicowane.

Istnieją systemy zajmujące mniej niż 1 MB pamięci, a jednocześnie

nie wyposażone nawet w pełnoekranowy edytor, podczas gdy inne

wymagają setek megabajtów pamięci oraz zawierają takie

udogodnienia jak korektory pisowni i całe „systemy okien”.
Częściej spotykamy definicję, że system operacyjny jest to ten

program, który działa w komputerze nieustannie (nazywany

zazwyczaj jądrem), podczas gdy wszystkie inne są programami

użytkowymi.

Wygoda i wydajność

często są ze sobą

sprzeczne

Najważniejszym celem systemu operacyjnego jest wygoda

użytkownika. Systemy operacyjne istnieją, ponieważ

przyjmuje się, że łatwiej z nimi niż bez nich korzystać z

komputerów. Widać to szczególnie wyraźnie wówczas, gdy

przyjrzymy się systemom operacyjnym małych komputerów

osobistych.
Celem drugorzędnym jest efektywne działanie systemu

komputerowego. Ten cel jest szczególnie ważny w

rozbudowanych, wielodostępnych systemach z podziałem

czasu. Systemy tego rodzaju są zazwyczaj kosztowne, jest

więc pożądane, aby były maksymalnie wydajne.
Te dwa cele - wygoda i wydajność - są nieraz ze sobą

sprzeczne. W przeszłości osiągnięcie wydajności było często

przedkładane nad wygodę.

Sposób pracy w

pierwszych komputerach

Pierwsze komputery były wielkimi (fizycznie) maszynami

obsługiwanymi

za

pośrednictwem

konsoli.

Popularnymi

urządzeniami wejściowymi były czytniki kart i przewijaki taśm.

Na wyjściu najczęściej można było spotkać drukarki wierszowe,

przewijaki taśm i perforatory kart.
Użytkownicy takich systemów nie współpracowali bezpośrednio

z

systemem

komputerowym.

Przeciwnie,

użytkownik

przygotowywał zadanie, które składało się z programu, danych i

pewnych, charakteryzujących zadanie informacji sterujących

(karty sterujące), po czym przedkładał to wszystko operatorowi

komputera. Zadanie znajdowało się zazwyczaj na kartach

perforowanych. W późniejszym czasie (po minutach, godzinach

lub dniach) pojawiały się informacje wyjściowe zawierające

wyniki działania programu, a niekiedy obraz jego pamięci - jeśli

działanie programu zakończyło się błędem.

Wygląd pamięci

operacyjnej prostego

systemu wsadowego

Systemy

operacyjne

tych

pierwszych komputerów były
zupełnie proste. Podstawowym
ich

obowiązkiem

było

automatyczne przekazywanie
sterowania od jednego zadania
do

następnego.

System

operacyjny rezydował na stałe
w pamięci operacyjnej

Wsadowe wykonywanie

zadań

Aby przyspieszyć przetwarzanie, zadania o podobnych

wymaganiach grupowano razem i wykonywano w komputerze

w formie tzw. wsadu (ang. batch).
Programiści zostawiali zatem programy operatorowi. Operator

sortował je w grupy o podobnych wymaganiach i z chwilą, gdy

komputer stawał się dostępny, przekazywał po-szczególne

pakiety zadań do wykonania. Informacje wyprowadzane przez

każde z zadań rozsyłano odpowiednim autorom programów.
Po zakończeniu zadania jego wyniki są zazwyczaj drukowane

(np. na drukarce wierszowej). Wyróżniającą cechą systemu

wsadowego jest brak bezpośredniego nadzoru ze strony

użytkownika podczas wykonywania zadania. Zadania są

przygotowywane i przedkładane. Wyniki pojawiają się po

jakimś czasie.

Przy takiej organizacji

pracy procesor zbyt

często leniuchuje

W takim środowisku wykonywania
programów

jednostka

centralna

często pozostawała bezczynna.
Przyczyna tych przestojów wynikała z
szybkości działania mechanicznych
urządzeń wejścia - wyjścia, które z
natury są powolniejsze od urządzeń
elektronicznych.

Rozwiązanie przyniosło

zastosowanie dysków

Pomocne okazało się tutaj wprowadzenie technologii dyskowej.

Zamiast czytać karty za pomocą czytnika wprost do pamięci,

a następnie przetwarzać zadanie, karty z czytnika kart są

czytane bezpośrednio na dysk.
Rozmieszczenie obrazów kart jest zapisywane w tablicy

przechowywanej przez system operacyjny.
Podczas wykonywania zadania zamówienia na dane

wejściowe z czytnika kart są realizowane przez czytanie z

dysku.
Podobnie, gdy zadanie zamówi wyprowadzenie wiersza na

drukarkę, wówczas dany wiersz będzie skopiowany do bufora

systemowego i zapisany na dysku. Po zakończeniu zadania

wyniki są rzeczywiście drukowane.

Spooling

Tej

metodzie

przetwarzania

nadano

nazwę

spooling,

którą

utworzono

jako

skrót

określenia

„simultaneous

peripheral

operation

on-line”

(jednoczesna, bezpośrednia praca urządzeń).
Spooling w istocie polega na tym, że używa się

dysku jako olbrzymiego bufora do czytania z

maksymalnym

wyprzedzeniem

z

urządzeń

wejściowych oraz do przechowywania plików

wyjściowych do czasu, aż urządzenia wyjściowe

będą w stanieje przyjąć.

Co daje spooling ?

Spooling umożliwia nakładanie w czasie operacji wejścia -

wyjścia jednego zadania na obliczenia innych zadań. Nawet

w prostym systemie procedura spooler może czytać dane

jednego zadania i równocześnie drukować wyniki innego. W

tym samym czasie może być wykonywane jeszcze inne

zadanie (lub zadania), które czyta swoje „karty” z dysku i

również na dysku „drukuje” wiersze swoich wyników.
Spooling wywarł bezpośredni, dobroczynny wpływ na

zachowanie systemu. Kosztem pewnego obszaru pamięci na

dysku i niewielu tablic procesor mógł wykonywać obliczenia

jednego zadania równocześnie z operacjami wejścia - wyjścia

dla innych zadań. Dzięki spoolingowi stało się możliwe

utrzymywanie zarówno procesora, jak i urządzeń wejścia -

wyjścia w znacznie większej aktywności.

Pula zadań

daje możliwość ich

szeregowania

Ze spoolingiem jest związana bardzo ważna struktura danych -

pula zadań (ang. job pool).
Spooling powoduje, że pewna liczba zadań jest zawczasu czytana

na dysk, gdzie czeka gotowa do wykonania. Dzięki istnieniu puli

zadań na dysku system operacyjny może tak wybierać następne

zadania do wykonania, aby zwiększyć wykorzystanie jednostki

centralnej.
Przy zadaniach nadchodzących wprost z kart lub nawet z taśmy

magnetycznej nie ma możliwości wykonywania zadań w

dowolnym porządku. Zadania muszą być wykonane po kolei w

myśl zasady: pierwsze nadeszło - pierwsze zostanie obsłużone

(FIFO).
Gdy kilka zadań znajdzie się na urządzeniu o dostępie

bezpośrednim - jak dysk, wówczas staje się możliwe planowanie

zadań (szeregowanie zadań; ang. job scheduling).

Wieloprogramowanie –

sposób na zapewnienie

procesorowi aktywności

Najważniejszym aspektem planowania zadań jest

możliwość wieloprogramowania.
Praca pośrednia (ang. off-line operation) oraz

spooling umożliwiający nakładanie operacji wejścia

- wyjścia mają ograniczenia. Jeden użytkownik na

ogół nie zdoła utrzymać cały czas w aktywności

procesora lub urządzeń wejścia - wyjścia.
Dzięki

wieloprogramowaniu

zwiększa

się

wykorzystanie procesora wskutek takiej organizacji

zadań, aby procesor miał zawsze któreś z nich do

wykonania.

Wygląd pamięci w

systemie

wieloprogramowym

Idea

wieloprogramownia

jest

następująca. W tym samym czasie
system operacyjny przechowuje w
pamięci kilka zadań (rys.)
Ten zbiór zadań jest podzbiorem zadań
zgromadzonych w puli zadań (gdyż
liczba

zadań,

które

można

jednocześnie

przechowywać

w

pamięci operacyjnej, jest na ogół
znacznie mniejsza niż liczba zadań,
którą może pomieścić pula).

Sposób pracy systemu

wieloprogramowego

System operacyjny pobiera któreś z zadań do pamięci i

rozpoczyna jego wykonywanie.
Prędzej czy później zadanie to może zacząć oczekiwać na

jakąś usługę, na przykład na zakończenie operacji wejścia

- wyjścia.
W systemie jednoprogramowym jednostka centralna

musiałaby wówczas przejść w stan bezczynności.
W systemie wieloprogramowym można po prostu przejść

do wykonywania innego zadania itd. Po jakimś czasie

pierwsze zadanie skończy oczekiwanie i otrzyma z

powrotem dostęp do procesora.
Dopóki są jakieś zadania do wykonania, dopóty jednostka

centralna nie jest bezczynna.

Podobnie bywa w życiu

Takie postępowanie jest typowe dla zwyczajnych

sytuacji życiowych.
Adwokat nie prowadzi na ogół sprawy tylko jednego

klienta. Przeciwnie - sprawy kilku klientów toczą się w

tym samym czasie. Kiedy jeden pozew czeka na

rozprawę lub sporządzenie maszynopisów, wtedy

adwokat może pracować nad innym przypadkiem.

Przy wystarczającej liczbie klientów adwokat nigdy się

nie nudzi.
Bezczynni adwokaci mają skłonności do zostawania

politykami, toteż utrzymywanie adwokatów w ciągłym

zatrudnieniu ma pewne społeczne znaczenie.

System wieloprogramowy

podejmuje część decyzji za

użytkowników

Wieloprogramowanie jest pierwszym przypadkiem, w

którym system operacyjny musi decydować za

użytkowników.
Wieloprogramowane systemy operacyjne są więc dość

skomplikowane. Wszystkie zadania wchodzące do

systemu trafiają do puli zadań. Pula ta składa się ze

wszystkich procesów pozostających w pamięci masowej i

czekających na przydział pamięci operacyjnej.
Jeżeli kilka zadań jest gotowych do wprowadzenia do

pamięci operacyjnej, lecz brakuje dla wszystkich

miejsca, to system musi wybierać spośród nich.

Podejmowanie takich decyzji jest planowaniem zadań

(szeregowaniem zadań).

Zadania systemu

operacyjnego związane z

pracą wspólbieżną

Wybrawszy któreś z zadań z puli, system wprowadza je do

pamięci operacyjnej w celu wykonania. Przechowywanie

wielu programów w pamięci w tym samym czasie wymaga

jakiegoś zarządzania pamięcią.
Ponadto, jeżeli kilka zadań jest gotowych do działania w

tym samym czasie, to system musi wybrać któreś z nich.

Tego rodzaju decyzje są planowaniem przydziału procesora

(ang. CPU scheduling).
Ze współbieżnego wykonywania wielu zadań wynika też

potrzeba

ograniczania

możliwości

ich

wzajemnego

zaburzania we wszystkich stadiach pobytu w systemie

operacyjnym: w czasie planowania procesów, przydzielania

pamięci dyskowej i zarządzania pamięci operacyjną.

Wady systemów

wsadowych

Z punktu widzenia użytkownika system wsadowy jest jednak

trochę kłopotliwy. Ponieważ użytkownik nie może ingerować w

zadanie podczas jego wykonywania, musi przygotować karty

sterujące na okoliczność wszystkich możliwych zdarzeń.
W zadaniu wykonywanym krok po kroku następne kroki mogą

zależeć od wcześniejszych wyników. Na przykład uruchomienie

programu może zależeć od powodzenia fazy kompilacji. Trudno

przewidzieć, co należy robić we wszystkich przypadkach.
Inną wadą jest konieczność statycznego testowania programów

na podstawie ich migawkowych obrazów pamięci. Programista nie

może na bieżąco zmieniać programu w celu zaobserwowania jego

zachowań.

Długi

czas

obiegu

zadania

wyklucza

eksperymentowanie z programem. (I na odwrót - sytuacja taka

może powodować zwiększenie dyscypliny przy pisaniu i

testowaniu programu).

Podział czasu

Podział

czasu

(inaczej

wielozadaniowość; ang. multitasking)
stanowi

logiczne

rozszerzenie

wieloprogramowości.
Procesor wykonuje na przemian wiele
różnych zadań, przy czym przełączenia
następują tak często, że użytkownicy
mogą współdziałać z każdym programem
podczas jego wykonania.

Interakcyjny system

komputerowy

Interakcyjny lub bezpośredni (ang. hands-on)

system komputerowy umożliwia bezpośredni dialog

użytkownika z systemem.
Użytkownik

wydaje

bezpośrednio

instrukcje

systemowi operacyjnemu lub programowi i otrzymuje

natychmiastowe odpowiedzi. Po wykonaniu jednego

polecenia

system

szuka

następnej

„instrukcji

sterującej”.
Użytkownik wydaje polecenie, czeka na odpowiedź i o

kolejnym poleceniu decyduje na podstawie wyników

poprzedniego polecenia. Użytkownik może łatwo

eksperymentować i natychmiast oglądać rezultaty.

System plików

Aby użytkownicy mogli wygodnie korzystać zarówno z

danych, jak i z oprogramowania, powinien mieć

bezpośredni dostęp do systemu plików (ang. on-line file

system).
Plik (ang. file) jest zestawem powiązanych informacji,

zdefiniowanym przez jego twórcę. Z grubsza biorąc, w

plikach pamięta się programy (zarówno w postaci

źródłowej, jak i wynikowej) oraz dane. Pliki danych mogą

zawierać liczby, teksty lub mieszane dane alfanumeryczne.

Pliki mogą mieć układ swobodny, jak w plikach tekstowych,

lub precyzyjnie określony format. Mówiąc ogólnie, plik jest

ciągiem bitów, bajtów, wierszy lub rekordów, których

znaczenie jest określone przez jego twórcę i użytkownika.

Organizacja systemu

plików

System operacyjny urzeczywistnia abstrakcyjną
koncepcję pliku, zarządzając takimi urządzeniami
pamięci masowych jak taśmy, napędy i dyski.
Zazwyczaj pliki są zorganizowane w logiczne
niepodzielne

grupy,

czyli

katalogi

(ang.

directories), ułatwiające ich odnajdywanie i
wykonywanie na nich działań.
Ponieważ

do

plików

ma

dostęp

wielu

użytkowników, jest pożądane, by istniał nadzór
nad tym, kto i w jaki sposób z nich korzysta.

Systemy wsadowe i

interakcyjne

Systemy wsadowe są odpowiednie dla wielkich

zadań, których wykonanie nie wymaga stałego

bezpośredniego dozoru. Użytkownik może przedłożyć

zadanie i przyjść później po wyniki; nie ma powodu,

aby czekał na nie podczas wykonywania zadania.
Zadania interakcyjne składają się z wielu krótkich

działań, w których rezultaty kolejnych poleceń mogą

być nieprzewidywalne. Czas odpowiedzi (ang.

response time) powinien więc być krótki - co

najwyżej rzędu sekund. Systemy interakcyjne mają

zastosowanie tam, gdzie oczekuje się szybkich

odpowiedzi.

Procesy

Wprowadzenie systemów z podziałem czasu (ang. time-sharing

systems)

umożliwiło

interakcyjne

użytkowanie

systemu

komputerowego po umiarkowanych kosztach.
W systemie operacyjnym z podziałem czasu zastosowano

planowanie przydziału procesora i wieloprogramowość, aby

zapewnić każdemu użytkownikowi możliwość korzystania z małej

porcji dzielonego czasu pracy komputera.
Każdy użytkownik ma przynajmniej jeden oddzielny program w

pamięci. Załadowany do pamięci operacyjnej i wykonywany w niej

program przyjęto nazywać procesem (ang. process).
Wykonywanie procesu trwa zwykle niedługo i albo się kończy, albo

powoduje zapotrzebowanie na operację wejścia - wyjścia. Zamiast

pozwalać procesorowi na bezczynność, system operacyjny w

takich przypadkach angażuje go błyskawicznie do wykonywania

programu innego użytkownika.

System operacyjny

z podziałem czasu

System operacyjny z podziałem czasu sprawia, że

wielu użytkowników dzieli (ang. share) równocześnie

jeden komputer.
Ponieważ pojedyncze działania lub polecenia w

systemie z podziałem czasu trwają krótko, każdemu

użytkownikowi wystarcza mały przydział czasu

jednostki centralnej.
Dzięki błyskawicznym przełączeniom systemu od

jednego użytkownika do drugiego, każdy z nich

odnosi

wrażenie,

że

dysponuje

własnym

komputerem, choć w rzeczywistości jeden komputer

jest dzielony pomiędzy wielu użytkowników.

Praca z podziałem czasu i

przetwarzanie wsadowe

Ideę podziału czasu zaprezentowano już w 1960 r., lecz ze

względu na trudności i koszty budowy systemy z podziałem czasu

pojawiły się dopiero we wczesnych latach siedemdziesiątych.
W miarę wzrostu popularności podziału czasu konstruktorzy

systemów zaczęli łączyć systemy wsadowe z systemami z

podziałem czasu. Wiele systemów komputerowych, które

pierwotnie zaprojektowano z myślą o użytkowaniu w trybie

wsadowym, zostało zmodyfikowanych w celu umożliwienia pracy

z podziałem czasu.
W tym samym okresie systemy z podziałem czasu wzbogacano

często o podsystemy wsadowe.
Obecnie większość systemów umożliwia zarówno przetwarzanie

wsadowe, jak i podział czasu, chociaż w ich podstawowych

założeniach i sposobie użycia zwykle przeważa jeden z tych

typów pracy.

Pamięć wirtualna

Systemy operacyjne z podziałem czasu są jeszcze bardziej

złożone niż wieloprogramowe systemy operacyjne.
Tak jak w wieloprogramowości, w pamięci operacyjnej

należy przechowywać jednocześnie wiele zadań, które

potrzebują pewnych form zarządzania pamięcią i ochrony.
Aby zagwarantować akceptowalny czas odpowiedzi,

zadania z pamięci operacyjnej trzeba niekiedy odsyłać na

dysk i wprowadzać do niej z powrotem. Dysk staje się

zapleczem dla pamięci głównej komputera.
Popularną metodą osiągania tego celu jest pamięć

wirtualna

(ang.

virtual

memory),

czyli

technika

umożliwiająca wykonywanie zadania nie mieszczącego się

w całości w pamięci operacyjnej.

Zalety pamięci wirtualnej

Najbardziej

widoczną

zaletą

takiego

rozwiązania jest umożliwienie wykonania
programów większych niż pamięć fizyczna.
Ponadto powstaje tu abstrakcja pamięci
głównej w postaci wielkiej, jednolitej tablicy,
oddzielająca pamięć logiczną - oglądaną
przez użytkownika - od pamięci fizycznej.
Uwalnia to programistów od zajmowania się
ograniczeniami pamięciowymi.

Co muszą zapewniać systemy

wieloprogramowe i systemy z

podziałem czasu ?

Systemy z podziałem czasu muszą też dostarczać

bezpośrednio dostępnego systemu plików.
System plików rezyduje w zbiorze dysków, należy więc

także zapewnić zarządzanie dyskami.
Systemy z podziałem czasu muszą też umożliwiać

działania współbieżne, a to wymaga przemyślanych

metod przydziału procesora.
Aby zagwarantować porządek wykonywanych działań, w

systemie muszą istnieć mechanizmy synchronizowania

zadań oraz komunikacji między nimi; system musi

również zapewniać, że zadania nie będą się zakleszczać ,

nieustannie wzajemnie na siebie czekając.

Pojawia się PC

Zmniejszanie się cen sprzętu spowodowało możliwość

zbudowania systemu komputerowego przeznaczonego

dla indywidualnych użytkowników.
Ten rodzaj systemów komputerowych zwykło się nazywać

komputerami osobistymi (ang. personal computers - PC).
Oczywiście, zmieniły się urządzenia wejścia - wyjścia;

pojawiły się nowoczesne klawiatury i monitory, szybkie

drukarki laserowe i atramentowe, skanery i joysticki.
Komputery

osobiste

pojawiły

się

w

latach

siedemdziesiątych. Są to mikrokomputery, zdecydowanie

mniejsze i tańsze od systemów komputerów głównych

(ang. mainframe).

Nie od razu PC były

wielozadaniowe,

wielostanowiskowe, ...

W pierwszym dziesięcioleciu rozwoju komputerów osobistych

stosowane w nich jednostki centralne były pozbawione cech

potrzebnych

do

ochrony

systemu

operacyjnego

przed

programami użytkowymi. Systemy operacyjne komputerów

osobistych nie były więc ani wielostanowiskowe, ani

wielozadaniowe.
Jednakże cele tych systemów zmieniły się z upływem czasu -

zamiast maksymalizowania wykorzystania procesora i urządzeń

zewnętrznych położono w nich nacisk na maksimum wygody

użytkowania i szybkości kontaktu z użytkownikiem.
Do systemów takich zalicza się komputery PC pracujące pod

nadzorem systemu MS Windows i systemu Apple MacOS,

Pojawiają się mniej lub bardziej udane próby wprowadzenia

szeregu innych systemów operacyjnych: OS/2, BeOS, Linux,
Lindows

.

Następuje migracja z

dużych na małe

W systemach operacyjnych mikrokomputerów skorzystano z

różnych wzorów sprawdzonych podczas rozwoju systemów

operacyjnych dla dużych komputerów.
W mikrokomputerach od samego początku zaadaptowano

technikę opracowaną dla większych systemów operacyjnych.
Jednak taniość sprzętu mikrokomputerowego sprawia, że

może on być użytkowany przez indywidualne osoby, a

wykorzystanie procesora przestaje mieć doniosłe znaczenie.
W związku z tym pewne rozwiązania uzyskane przy

tworzeniu systemów operacyjnych dla dużych komputerów

mogą być nieodpowiednie dla systemów mniejszych. Na

przykład ochrona plików w komputerach osobistych może

okazać się zbędna.

Wędrówka cech i

koncepcji systemów

operacyjnych

Po przeanalizowaniu

systemów operacyjnych

dla dużych komputerów i

dla mikrokomputerów

okazało się, że w istocie

te cechy, które były w

swoim czasie dostępne

tylko w komputerach

głównych, zaadaptowano

też w mikrokomputerach.

Te same koncepcje

okazują się odpowiednie

dla rozmaitych klas

komputerów:

komputerów głównych,

minikomputerów i

mikrokomputerów (rys.)

MULTICS protoplasta wielu

systemów

Dobrym

przykładem

przenoszenia

koncepcji

systemów

operacyjnych jest system operacyjny MULTICS. System ten

opracowano w latach 1965-1970 w MIT jako narzędzie obliczeniowe.

Działał na dużym, złożonym komputerze głównym GE 645.
Wiele pomysłów wprowadzonych do systemu MULTICS zastosowano

następnie w firmie Bell Labs przy projektowaniu systemu UNIX.
System operacyjny UNIX powstał około 1970 r., pierwotnie dla

minikomputera PDP-11.
Około 1980 r. rozwiązania rodem z systemu UNIX stały się bazą dla

uniksopodobnych systemów operacyjnych przeznaczonych dla

systemów mikrokomputerowych i pojawiły się w późniejszych

systemach operacyjnych, takich jak MS Windows NT, IBM OS/2 i

MacOS. W ten sposób pomysły zastosowane w wielkich systemach

komputerowych przeniknęły z czasem do mikrokomputerów.

Systemy

wieloprocesorowe

Dzisiejsze

systemy

są

w

większości

jednoprocesorowe, tzn. mają tylko jedną, główną

jednostkę centralną.
Obserwuje się jednakże zainteresowanie systemami

wieloprocesorowymi

(ang.

multiprocessor

systems).
W systemach tego rodzaju pewna liczba procesorów

ściśle współpracuje ze sobą, dzieląc szynę komputera,

zegar, a czasami pamięć i urządzenia zewnętrzne.
Systemy takie nazywa się ściśle powiązanymi (ang.

tightly coupled).

Systemy

wieloprocesorowe

zwiększają przepustowość

Istnieje kilka powodów uzasadniających budowanie takich

systemów. Jednym z argumentów jest zwiększenie

przepustowości (ang. throughput).
Zwiększając liczbę procesorów, możemy oczekiwać, że

większą ilość pracy da się wykonać w krótszym czasie.
Jednak współczynnik przyspieszenia przy n procesorach nie

wynosi n, lecz jest od n mniejszy. Kiedy kilka procesorów

współpracuje przy wykonaniu jednego zadania, wtedy traci się

pewną część czasu na utrzymywanie właściwego działania

wszystkich części. Ten nakład w połączeniu z rywalizacją o

zasoby dzielone powoduje zmniejszenie oczekiwanego zysku z

zastosowania dodatkowych procesorów.
Analogicznie, grupa współpracujących ze sobą n programistów

nie powoduje n-krotnego wzrostu wydajności pracy.

Systemy

wieloprocesorowe

wykorzystują wspólne

zasoby

Oszczędności, jakie można uzyskać, stosując

wieloprocesory w porównaniu z wykorzystaniem

wielu pojedynczych systemów, wynikają także z

możliwości wspólnego użytkowania przez nie

urządzeń

zewnętrznych,

zamykania

ich

we

wspólnych obudowach i zasilania ze wspólnego

źródła.
Jeśli kilka programów ma działać na tym samym

zbiorze danych, to taniej jest zapamiętać dane na

jednym dysku i pozwolić na korzystanie z nich

wszystkim procesorom, aniżeli rozmieszczać liczne

ich kopie na lokalnych dyskach wielu komputerów.

Łagodna degradacja

Innym argumentem na rzecz systemów wieloprocesorowych jest

to, że zwiększają one niezawodność.
Umiejętne rozdzielenie zadań między pewną liczbą procesorów

powoduje, że awaria jednego procesora nie za-trzymuje systemu,

tylko go spowalnia.
Gdy mamy dziesięć procesorów i jeden ulegnie awarii, wówczas

pozostałe procesory muszą przejąć i podzielić między siebie

pracę uszkodzonego procesora. Dzięki temu cały system bę-dzie

pracował tylko o 10% wolniej i nie grozi mu całkowite załamanie.
Zdolność kontynuowania usług na poziomie proporcjonalnym do

ilości ocalałego sprzętu jest nazywana łagodną degradacją

(ang. graceful degradation). Systemy przystosowane do łagodnej

degradacji są również zwane systemami tolerującymi awarie

(ang. fault-tolerant).

Wieloprzetwarzanie

symetryczne i

asymetryczne

Obecnie w systemach wieloprocesorowych używa się

najczęściej modelu wieloprzetwarzania symetrycznego

(ang. symmetric multiprocessing), w którym na każdym

procesorze działa identyczna kopia systemu operacyjnego.

Kopie te komunikują się ze sobą w zależności od potrzeb.
W

niektórych

systemach

zastosowano

wieloprzetwarzanie asymetryczne (ang. asymmetric

multiprocessing) polegające na tym, że każdy procesor ma

przypisane inne zadanie. Systemem takim zawiaduje

procesor główny. Inne procesory albo czekają na instrukcje

od procesora głównego, albo zajmują się swoimi uprzednio

określonymi zadaniami. Procesor główny planuje i

przydziela prace procesorom podporządkowanym.

Wersja Encore systemu UNIX -

przykład systemu

z wieloprzetwarzaniem

symetrycznym

Komputer ten tak skonfigurowany, że umożliwia
działanie wielkiej liczby procesorów, z których
każdy pracuje pod nadzorem kopii systemu UNIX.
Zaletą tego modelu jest to, iż równocześnie może
pracować wiele procesów (N procesów na N
egzemplarzach

jednostki

centralnej)

bez

pogarszania działania całego systemu.
Należy jednak zadbać o takie wykonanie operacji
wejścia - wyjścia, aby dane docierały do
właściwych procesorów.

Procesory na zapleczu

Spadek cen mikroprocesorów i zwiększenie ich możliwości

powodują

przerzucanie

wielu

funkcji

systemowych

na

podporządkowany

systemowi

operacyjnemu

sprzęt

mikroprocesorowy, czyli jego zaplecze (ang. back-ends).
Na przykład można obecnie z łatwością dodać do systemu

mikroprocesor wyposażony we własną pamięć i przeznaczony do

zarządzania dyskami. Mikroprocesor taki może przyjmować

polecenia od procesora głównego i realizować własną kolejkę

dyskową i algorytm planowania. Rozwiązanie to uwalnia procesor

główny od zajmowania się planowaniem operacji dyskowych.
Komputery PC zawierają wmontowany w klawiaturę mikro-

procesor zamieniający uderzenia klawiszy na kody gotowe do

przesłania

do

procesora.

Tego

rodzaju

zastosowania

mikroprocesorów rozpowszechniły się do tego stopnia, że nie

uważa się ich już za wieloprzetwarzanie.

Systemy rozproszone

W tworzonych ostatnio systemach komputerowych daje

się zauważyć tendencja do rozdzielania obliczeń między

wiele procesorów.
W porównaniu ze ściśle powiązanymi systemami,

(omówionymi wcześniej), procesory te nie dzielą pamięci

ani zegara. Każdy procesor ma natomiast własną pamięć

lokalną.
Procesory komunikują się za pomocą różnych linii

komunikacyjnych, na przykład szybkich szyn danych lub

sieci komputerowych.
Systemy

takie

nazywają

się

zazwyczaj

luźno

powiązanymi (ang. loosely coupled) lub rozproszonymi

(ang. distributed systems).

Stanowiska, węzły,

komputery...

Procesory w systemach rozproszonych mogą się
różnić pod względem rozmiaru i przeznaczenia.
Mogą wśród nich być małe mikroprocesory, stacje
robocze, minikomputery i wielkie systemy
komputerowe ogólnego przeznaczenia.
Na określenie tych procesorów używa się różnych
nazw, takich jak: stanowiska (ang. sites), węzły
(ang. nodes), komputery itp. - zależnie od
kontekstu, w którym się o nich mówi.

Podział zasobów

Po połączeniu ze sobą różnych stanowisk (o różnych

możliwościach) użytkownik jednego stanowiska może

korzystać z zasobów dostępnych na innym.
Na przykład użytkownik węzła A może korzystać z drukarki

laserowej zainstalowanej w węźle B. Użytkownik węzła B

może w tym samym czasie mieć dostęp do pliku

znajdującego w A.
Mówiąc ogólnie, podział zasobów w systemie rozproszonym

tworzy mechanizmy dzielonego dostępu do plików w węzłach

zdalnych, przetwarzania informacji w rozproszonych bazach

danych, drukowania plików w węzłach zdalnych, zdalnego

użytkowania specjalizowanych urządzeń sprzętowych (np.

odznaczających

się

wielką

szybkością

procesorów

tablicowych) i wykonywania innych operacji.

Przyspieszenie obliczeń

Jeśli pewne obliczenie da się rozłożyć na zbiór
obliczeń cząstkowych, które można wykonywać
współbieżnie, to system rozproszony umożliwia
przydzielenie tych obliczeń do poszczególnych
stanowisk i współbieżne ich wykonanie.
Ponadto, jeżeli pewne stanowisko jest w danej
chwili przeciążone zadaniami, to część z nich
można przenieść do innego, mniej obciążonego
stanowiska. Takie przemieszczanie zadań nazywa
się dzieleniem obciążeń (ang. load sharing).

Niezawodność

W przypadku awarii jednego stanowiska w systemie

rozproszonym pozostałe mogą kontynuować pracę.
Jeżeli system składa się z dużych, autonomicznych instalacji

(tzn. komputerów ogólnego przeznaczenia), to awaria jednego

z nich nie wpływa na działanie pozostałych.
Natomiast gdy system składa się z małych maszyn, z których

każda odpowiada za jakąś istotną funkcję (np. za wykonywanie

operacji wejścia - wyjścia z końcówek konwersacyjnych lub za

system plików), wówczas z powodu jednego błędu może zostać

wstrzymane działanie całego systemu.
Ogólnie można powiedzieć, że istnienie w systemie

wystarczającego zapasu (zarówno sprzętu, jak i danych)

sprawia, że system może pracować nawet po uszkodzeniu

pewnej liczby jego węzłów (stanowisk).

Komunikacja

Istnieje wiele sytuacji, w których programy muszą

wymieniać dane między sobą w ramach jednego

systemu.
Przykładem tego są systemy okien, w których często

dzieli się dane lub wymienia je między terminalami.

Wzajemne połączenie węzłów za pomocą komputerowej

sieci komunikacyjnej umożliwia procesom w różnych

węzłach wymianę informacji.
Użytkownicy

sieci

mogą

przesyłać

pliki

lub

kontaktować się ze sobą za pomocy poczty

elektronicznej

(ang.

electronic

mail).

Przesyłki

pocztowe mogą być nadawane do użytkowników tego

samego węzła lub do użytkowników innych węzłów.

Systemy czasu

rzeczywistego

Jeszcze innym rodzajem specjalizowanego systemu

operacyjnego jest system czasu rzeczywistego

(ang. real-time).
System czasu rzeczywistego jest stosowany tam,

gdzie istnieją surowe wymagania na czas wykonania

operacji lub przepływu danych, dlatego używa się go

często jako sterownika w urządzeniu o ściśle

określonym celu.
Czujniki dostarczają dane do komputera. Komputer

musi analizować te dane i w zależności od sytuacji

tak regulować działanie kontrolowanego obiektu, aby

zmieniły się wskazania wejściowe czujników.

Przykłady RTS

Przykładami systemów czasu rzeczywistego są
systemy

nadzorowania

eksperymentów

naukowych, obrazowania badań medycznych,
sterowania

procesami

przemysłowymi

i

niektóre systemy wizualizacji.
Można tu podać również takie przykłady, jak
elektroniczny sterownik wtrysku paliwa do
silników samochodowych, sterowniki urządzeń
gospodarstwa domowego, a także sterowniki
stosowane w różnych rodzajach broni.

RTS mają ścisłe

ograniczenia czasowe

System operacyjny czasu rzeczywistego ma
ściśle

zdefiniowane,

stałe

ograniczenia

czasowe. Przetwarzanie danych musi się
zakończyć przed upływem określonego czasu,
w przeciwnym razie system nie spełnia
wymagań.
Na przykład poinstruowanie robota, aby
zatrzymał ruch ramienia już po zgnieceniu
samochodu, który właśnie montował, mija się z
celem.

Rygorystyczny RTS

(ang. hard real-time system)

Gwarantuje terminowe wypełnianie krytycznych zadań.

Osiągnięcie tego celu wymaga ograniczenia wszystkich

opóźnień w systemie, poczynając od odzyskiwania

przechowywanych danych, a kończąc na czasie

zużywanym przez system na wypełnienie dowolnego

zamówienia.
Takie ograniczenia czasu wpływają na dobór środków, w

które są wyposażane rygorystyczne systemy czasu

rzeczywistego. Wszelkiego rodzaju pamięć pomocnicza

jest na ogół bardzo mała albo nie występuje wcale.

Wszystkie dane są przechowywane w pamięci o krótkim

czasie dostępu lub w pamięci, z której można je tylko

pobierać (ang. read-only memory - ROM).

Ograniczenia czasowe

wpływają na cechy

systemu

Systemy te nie mają również większości
cech

nowoczesnych

systemów

operacyjnych, które oddalają użytkownika
od sprzętu, zwiększając niepewność
odnośnie do ilości czasu zużywanego
przez operacje.
Na przykład prawie nie spotyka się w
systemach czasu rzeczywistego pamięci
wirtualnej.

Łagodny system czasu

rzeczywistego (ang. soft real-

time system)

To system, w którym krytyczne zadanie do obsługi w

czasie rzeczywistym otrzymuje pierwszeństwo przed

innymi zadaniami i zachowuje je aż do swojego

zakończenia.
Podobnie jak w rygorystycznym systemie czasu

rzeczywistego opóźnienia muszą być ograniczone -

zadanie

czasu

rzeczywistego

nie

może

w

nieskończoność czekać na usługi jądra.
Użyteczność łagodnych systemów czasu rzeczywistego

jest bardziej ograniczona niż systemów rygorystycznych.

Ponieważ nie zapewniają one nieprzekraczalnych

terminów, zastosowanie ich w przemyśle i robotyce jest

ryzykowne.

Podsumowanie

Przedstawiliśmy logikę rozwoju systemów

operacyjnych, która wyrażała się przez

dodawanie do sprzętu jednostki centralnej

udogodnień

warunkujących

uzyskanie

funkcjonalności nowoczesnych systemów

operacyjnych.
Ów trend można obserwować dzisiaj w

ewolucji komputerów osobistych, których

niedrogi sprzęt jest wciąż ulepszany, przez co

zwiększają się ich możliwości.
Więcej informacji można znaleźć w:
A. Silberschatz, P. Galvin: Podstawy

systemów

operacyjnych,

WNT,

Warszawa 2001