Типы операционных систем. Совместимость операционных систем

Рассмотрев основы построения и функционирования ОС, можно сделать вывод, что конкретные архитектурные и функциональные особенности любой ОС непосредственно должны касаться лишь системных программистов и могут совершенно не быть известны рядовому пользователю. В то время как некоторые идеи (например, объектно-ориентированный подход) находятся в ведении только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя, концепция множественных прикладных сред приносит пользователю долгожданную возможность выполнять на своей ОС программы, написанные для других ОС и процессоров. Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью .

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости, которые не следует путать: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов . Приложения обычно хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС, и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующих компиляторов в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается использовать данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция исходных текстов программ в новые исполняемые модули.

Таким образом, совместимость на уровне исходных текстов наиболее важное значение имеет для разработчиков приложений, в распоряжении которых находятся эти исходные тексты. Для конечных же пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут без специальных навыков и умений использовать программный продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на разных компьютерах. Для пользователя, купившего в свое время пакет программ для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот привычный ему пакет без каких-либо изменений или ограничений на своей новой машине, работающей, например, под управлением Windows NT. Множественные прикладные среды как раз и обеспечивают совместимость данной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов.

Каким типом совместимости – двоичной или совместимостью исходных текстов обладает ОС, зависит от многих факторов. Самый значительный из них – архитектура процессора, на котором работает ОС. Только в том случае, если процессор использует тот же набор команд (возможно, даже более расширенный, но ни в коем случае не уменьшенный) и тот же диапазон адресов, двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто. Достаточно соблюсти несколько следующих условий:

Вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;

Внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Несравнимо сложнее достигнуть двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих различающиеся архитектуры. Кроме соблюдения приведенных выше условий, необходимо также организовать эмуляцию двоичного кода. Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC – на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т.п.), отличную от архитектуры Intel, поэтому ему совершенно непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того, чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение – эмулятор .

Назначение эмулятора состоит в том, чтобы последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифровать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Поскольку вследствие архитектурных отличий процессор Motorola не имеет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в процессоре Intel, он должен эмулировать (имитировать) и все эти элементы с использованием своих регистров и памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой инструкции должно быть точно таким же, как и в реальном процессоре Intel. Эта не очень сложная с точки зрения программной реализации задача требует для своего выполнения достаточно большого количества ресурсов компьютера. Реально на компьютере Macintosh можно запускать на выполнение только небольшие DOS-приложения, не требующие активного использования ресурсов компьютера.

Тем не менее, существует несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации – использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Сегодня в среднестатистической программе около 60-80% времени выполнения тратится на выполнение функций GUI и остальных библиотечных вызовов ОС. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на “родном” коде данной ОС. Таким образом достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией .

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда происходит вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, перехватывает этот вызов и направляет его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на подобных участках кода скорость работы программы может достичь скорости работы на своем “родном” процессоре.

Однако следует заметить, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Вполне может случиться так, что концепции, положенные в основу разных ОС, войдут в противоречие друг с другом. Например, в одной ОС приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, а в другой эти действия являются прерогативой ОС. Совершенно естественно, что каждая ОС имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Все эти отличия определяются спецификой аппаратной платформы, на которой работает ОС, особенностями ее реализации или заложены разработчиками системы как присущие данной системе свойства. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.

15. Внешние устройства ПК: диалоговые, запоминающие, телекоммуникационные.

Внешние устройства (ВУ) ПК - важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80 - 85 % стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ.

К внешним устройствам относятся:

внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

диалоговые средства пользователя;

устройства ввода информации;

устройства вывода информации;

средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстро развивающимся средствам мультимедиа.

Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, “звуковые мыши”, например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком звуки в виде букв, слов и цифр, идентифицировать их, закодировать в цифровой вид и выдать команду ПК.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

графические планшеты (дигитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

устройства указания (графические манипуляторы) - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик - рычаг, “мышь”, трекбол - шар в оправе, световое перо и др.);

сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, “стыки”, мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения ее к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В качестве сетевого адаптера подключения к удаленной ЭВМ через телефонную линию используется модулятор-демодулятор телефонного сигнала (модем).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.

Мультимедиа (multimedia - многосредовостъ) средства - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся:

устройства речевого ввода и вывода информации;

микрофоны и видеокамеры;

акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;

сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки);

внешние запоминающие устройства большой емкости на лазерных оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Переносимость.

В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностью.

Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows NT, OS/2), для которых наработана широкая номенклатура приложений. Некоторые из них пользуются широкой популярностью. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.

Существует разница между двоичной совместимостью и совместимостью на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается тогда, когда можно взять некоторый исполняемый файл и успешно запустить его в другой ОС. Совместимость на уровне исходных текстов требует предвари­тельной перекомпиляции программы.

-3. 7. Совместимость и множественные прикладные среды

В то время как многие архитектурные особенности операционных систем непосредственно касаются только системных программистов, концепция множественных прикладных сред непосредственно связана с нуждами конечных пользователей - возможностью операционной системы выполнять приложения, написанные для других операционных систем. Такое свойство операционной системы называется совместимостью.

-3. 7. 1. Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов

Необходимо различать совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается выполнять данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый исполня-емый модуль. Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах. Для пользователя, купившего в свое время пакет (например, Lotus 1-2-3) для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот полюбившийся ему пакет без каких-либо изменений и на своей новой машине, работающей под управлением, например, Windows NT. Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими операционными системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них – архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор использует тот же набор команд (возможно, с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто.

Для этого достаточно соблюдения сле­дующих условий:

вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживать­ся данной ОС;

внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответство­вать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих разные архитектуры. Помимо соблюдения приведенных выше условий, необходимо организовать эмуляцию двоичного кода.

Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC - на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т. п.), отличную от архитектуры процессора Intel, поэтому ему непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение - эмулятор .

Эмулятор должен последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифрировать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Так как к тому же у процессора Motorola нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в Intel, он должен также имитировать (эмулировать) все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды должно быть абсолютно таким же,как и в реальном процессоре Intel. Это простая, но очень медленная работа, так как одна команда процессора Intel исполняется значительно быстрее, чем эмулирующая его последовательность ко­манд процессора Motorola.

-3. 7. 2. Трансляция библиотек

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих прикладную программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которые операционная система предоставляет своим приложениям. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям.

Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работают под управлением GUI (Graphic User Interface - графических интерфейсов пользователя) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые действия. Они непрерывно выполняют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других связанных с GUI действий. Сегодня в типичных программах 60-80 % времени тратится на выполнение функций GUI и других библиотечных вызовов ОС. Именно это свойство приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на «родном» коде, и этим достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз.

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, может перехватить этот вызов и перенаправить его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а возможно, и превзойти) скорость работы на своем «родном» процессоре.

Чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Концепции, положенные в основу разных ОС, могут входить в противоречие друг с другом. Например, в одной операционной системе приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, в другой - эти действия являются прерогативой ОС. Каждая операционная система имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.

-3. 7. 3. Способы реализации прикладных программных сред

Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно свя­занной со структурой операционной системы. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечиваю­щими различную степень переносимости приложений.

Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В операционных системах, построенных с использовани­ем микроядерной концепции, таких, как, например, Windows NT, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в операционную систему.

Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных приклад­ных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС. На рис. 3. 8 операционная система OS1 поддерживает кроме своих «родных» приложений приложения операционной системы OS2. Для этого в ее составе имеется специальное приложение – прикладная программная среда, которая транс­лирует интерфейс «чужой» операционной системы –API OS2 в ин­терфейс своей «родной» операционной системы – API OS1.

Рис. 3. 8. Прикладная программная среда, транслирующая
системные вызовы

В другом варианте реализации множественных прикладных сред операционная система имеет несколько равноправных прикладных програм-мных интерфейсов. В приведенном на рис. 3. 9примере операционная си-стема поддерживает прило­жения, написанные для OS1, OS2 и OS3. Для этого непосредственно в простран­стве ядра системы размещены прикладные программные интерфейсы всех этих ОС: API OS1, API OS2 и API OS3.

Рис. 3. 9. Реализация совместимости на основе нескольких
равноправных API

В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае несовмести­мые прикладные среды. В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т. д. Функции каж­дого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже если они имеют аналогичное назначение.

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на мик­роядерном подходе. При этом очень важно отделить базовые, общие для всех прикладных сред, механизмы операционной системы от специфических для каж­дой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи.

В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются мик­роядром и серверами пользовательского режима. Важно, что каждая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовых механизмов (рис. 3. 10). Приложения, используя API, обра­щаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос, выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходит­ся, в свою очередь, обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микро­ядром и другими серверами ОС.

Рис. 3. 10. Микроядерный подход к реализации множественных
прикладных сред

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микроядерной архитектуры, в частности:

· очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микроядерных ОС;

· надежность и стабильность выражаются в том, что при отказе одной из при­кладных сред все остальные сохраняют работоспособность;

· низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости рабо­ты прикладных сред, а значит, и на скорости выполнения приложений.

Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между опера­ционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совмес­тимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора опе­рационных систем и более легкий доступ к качественному программному обес­печению.

Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью.

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующих компиляторов в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается использовать данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция исходных текстов программ в новые исполняемые модули.

Каким типом совместимости - двоичной или совместимостью исходных текстов обладает ОС, зависит от многих факторов. Самый значительный из них - архитектура процессора, на котором работает ОС. Чтобы достичь двоичной совместимости достаточно соблюсти несколько следующих условий:

Вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;

Внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Кроме соблюдения приведенных выше условий, необходимо также организовать эмуляцию двоичного кода. Для того, чтобы компьютер смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение - эмулятор.

Назначение эмулятора состоит в том, чтобы последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора, например, Intel, программным способом дешифровать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора, например, Motorola.

Тем не менее, существует несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации - использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, UNIX при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение, некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на "родном" коде данной ОС. Таким образом, достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией.

Совместимость

Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах.

Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор, на который переносится ОС, использует тот же набор команд (возможно с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута достаточно просто.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, DOS-программу на Mac), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Например, процессор типа 680x0 на Mac должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 80x86 в PC. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86.

Это простая, но очень медленная работа, так как микрокод внутри процессора 80x86 исполняется на значительно более быстродействующем уровне, чем эмулирующие его внешние команды 680x0. За время выполнения одной команды 80x86 на 680x0, реальный 80x86 может выполнить десятки команд. Следовательно, если процессор, производящий эмуляцию, не настолько быстр, чтобы компенсировать все потери при эмуляции, то программы, исполняющиеся под эмуляцией, будут очень медленными.

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.

Соответствие стандартам POSIX также является средством обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов. Во второй половине 80-х правительственные агентства США начали разрабатывать POSIX как стандарты на поставляемое оборудование при заключении правительственных контрактов в компьютерной области. POSIX - это "интерфейс переносимой ОС, базирующейся на UNIX". POSIX - собрание международных стандартов интерфейсов ОС в стиле UNIX. Использование стандарта POSIX (IEEE стандарт 1003.1 - 1988) позволяет создавать программы стиле UNIX, которые могут легко переноситься из одной системы в другую.

Виды совместимости

Рассмотрев основы построения и функционирования ОС, можно сделать вывод, что конкретные архитектурные и функциональные особенности любой ОС непосредственно должны касаться лишь системных программистов и могут совершенно не быть известны рядовому пользователю. В то время как некоторые идеи (например, объектно-ориентированный подход) находятся в ведении только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя, концепция множественных прикладных сред приносит пользователю долгожданную возможность выполнять на своей ОС программы, написанные для других ОС и процессоров. Свойство ОС, характеризующее возможность выполнения в ОС приложений, написанных для других ОС, называется совместимостью .

Существует два принципиально отличающихся вида совместимости, которые не следует путать: совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов . Приложения обычно хранятся в компьютере в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу, работающую в среде одной ОС, и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующих компиляторов в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается использовать данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция исходных текстов программ в новые исполняемые модули.

Таким образом, совместимость на уровне исходных текстов наиболее важное значение имеет для разработчиков приложений, в распоряжении которых находятся эти исходные тексты. Для конечных же пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут без специальных навыков и умений использовать программный продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на разных компьютерах. Для пользователя, купившего в свое время пакет программ для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот привычный ему пакет без каких-либо изменений или ограничений на своей новой машине, работающей, например, под управлением Windows NT. Множественные прикладные среды как раз и обеспечивают совместимость данной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов.

Каким типом совместимости – двоичной или совместимостью исходных текстов обладает ОС, зависит от многих факторов. Самый значительный из них – архитектура процессора, на котором работает ОС. Только в том случае, если процессор использует тот же набор команд (возможно, даже более расширенный, но ни в коем случае не уменьшенный) и тот же диапазон адресов, двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто. Достаточно соблюсти несколько следующих условий:

Вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;

Внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Несравнимо сложнее достигнуть двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих различающиеся архитектуры. Кроме соблюдения приведенных выше условий, необходимо также организовать эмуляцию двоичного кода. Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC – на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т.п.), отличную от архитектуры Intel, поэтому ему совершенно непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того, чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение – эмулятор .

Назначение эмулятора состоит в том, чтобы последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифровать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Поскольку вследствие архитектурных отличий процессор Motorola не имеет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в процессоре Intel, он должен эмулировать (имитировать) и все эти элементы с использованием своих регистров и памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой инструкции должно быть точно таким же, как и в реальном процессоре Intel. Эта не очень сложная с точки зрения программной реализации задача требует для своего выполнения достаточно большого количества ресурсов компьютера. Реально на компьютере Macintosh можно запускать на выполнение только небольшие DOS-приложения, не требующие активного использования ресурсов компьютера.

Тем не менее, существует несколько другой, гораздо более эффективный выход из описанной ситуации – использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которым ОС обеспечивает свои приложения. Для сокращения времени выполнения чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям. Эффективность данного подхода определяется тем, что большинство современных программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (GUI) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения, как правило, наибольшую часть времени тратят на выполнение некоторых хорошо предсказуемых действий. Они непрерывно осуществляют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других, связанных с GUI, действий. Сегодня в среднестатистической программе около 60-80% времени выполнения тратится на выполнение функций GUI и остальных библиотечных вызовов ОС. Именно эта особенность приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на “родном” коде данной ОС. Таким образом достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Для того чтобы отличить такой подход от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз, его называют трансляцией .

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда происходит вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, перехватывает этот вызов и направляет его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на подобных участках кода скорость работы программы может достичь скорости работы на своем “родном” процессоре.

Однако следует заметить, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Вполне может случиться так, что концепции, положенные в основу разных ОС, войдут в противоречие друг с другом. Например, в одной ОС приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, а в другой эти действия являются прерогативой ОС. Совершенно естественно, что каждая ОС имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Все эти отличия определяются спецификой аппаратной платформы, на которой работает ОС, особенностями ее реализации или заложены разработчиками системы как присущие данной системе свойства. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.