Что такое система разделения времени
Что такое система разделения времени
Особенности областей использования операционных систем
Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:
2.1 Системы пакетной обработки
Предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности системы пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование у системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличные требования к ресурсам, так чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается «выгодное» задание. Следовательно, в таких ОС гарантировать выполнение того или иного задания в течении определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказалась от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.
2.2 Системы разделения времени
2.3 Системы реального времени
Рис. 2.1. Блок-схема форм эксплуатации ЭВМ
Рис.2.2. Мультипрограммный режим
*Системы 2. и 3. могут относиться к системам on_line.
Рис. 2.3. Средства, обеспечивающие автоматизацию решения задачи
Рис.2.4. Ресурсы вычислительной системы и программное обеспечение
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Разделение времени (Операционные Системы)
Содержание
Операционные системы общего назначения
Различают три типа операционных систем (ОС) общего назначения: поддерживающие однопрограммный режим работы и диалоговый способ общения, обеспечивающие пакетную обработку задач в режиме мультипрограммирования и операционные системы разделения времени.
Разделение времени (Операционные Системы)
Разделе́ние вре́мени (англ. Time-sharing) — способ распределения вычислительных ресурсов между многими пользователями с помощью мультипрограммирования и многозадачности. Появление данной концепции в начале 1960-х годов и активное развитие в 1970-е привело к значительному технологическому прорыву в истории вычислительной техники.
Позволяя многим пользователям одновременно взаимодействовать с одним компьютером, разделение времени значительно снизило цену предоставления вычислительных мощностей, сделав возможным использование компьютера организациями и индивидами без необходимости его покупки. Также разделение времени содействовало разработке новых интерактивных программ.
История разделения времени ОС
Пакетная обработка
Первые компьютеры были очень дорогими и медленными устройствами. Обычно они предназначались для выполнения конкретного набора задач и управлялись с панели оператора, который вручную вводил короткие программы посредством изменения позиции переключателей на панели. Эти программы могли выполняться в течение нескольких часов или даже недель. Но когда скорость компьютеров начала расти, простой машины в связи с вводом очередной программы стал неприемлем. Методология пакетной обработки появилась с целью уменьшить время простоя машины при вводе программы. В пакетной обработке как только одна программа завершала выполнение, компьютер загружал следующую.
Чтобы поддерживать процесс пакетной обработки, программисты использовали перфораторы перфокарт или перфолент. Это были недорогие устройства, позволившие создавать программы «офлайн». После набора программы её передавали операторам машины, которые занимались планированием времени её запуска. Важные программы запускались в первую очередь, менее важные — после выполнения всех остальных. Когда программа, наконец, выполнялась, результат её работы обычно в распечатанном виде возвращался программисту. Весь процесс мог занимать много времени, в течение которого программист вообще не видел компьютера.
Альтернатива позволить пользователю управлять компьютером напрямую, была слишком дорога чтобы её вообще могли рассматривать.
Разделение времени
Концепция «разделения времени» появилась как результат понимания того, что хотя каждый отдельный пользователь использует компьютер неэффективно, группа пользователей вместе — нет. Это связано с самой формой взаимодействия: пользователь вводит информацию посимвольно, между нажатиями клавиш следует пауза, за время которой компьютер может выполнить тысячи операций, но если одновременно работает группа пользователей, паузы одного пользователя могут заполняться активностью других. Если подобрать оптимальный размер группы, эффективность использования компьютера значительно повысится. Точно также пользователям могут предоставляться интервалы времени, которые компьютер тратит на ожидание операций чтения диска, ленты или передачи по сети.
По сравнению с пакетной обработкой, реализация системы, использующей преимущество разделения времени, сложна. Пакетная обработка являлась просто формой организации работы с ранними компьютерными системами. Компьютеры продолжали выполнять одну программу для одного пользователя за раз, а всё, что изменила пакетная обработка — было сокращение времени между запусками программ. Разработка системы, которая поддерживала бы одновременную работу многих пользователей принципиально отличалась от этого. Контексты («состояния») каждого пользователя и его программ должны были храниться в машине, и иметь возможность быстро заменяться другими. Переключение контекста требовало значительного количества процессорных тактов, и было большой проблемой для медленных машин той эпохи. Тем не менее, так как компьютеры быстро увеличивали скорость, и, что ещё важнее, размер памяти, в которой могли храниться состояния пользователей, накладные расходы на разделение времени соответственно уменьшались.
Идею впервые публично описал Боб Бемер в начале 1957 году, в статье для «Automatic Control Magazine». Первый проект реализации системы с разделением времени был начат Джоном Маккарти в конце 1957 года, на модификации IBM 704, и позже на модифицированном IBM 7090. Хотя он и бросил работу ради проекта MAC и других, один из полученных результатов, известный как Compatible Time-Sharing System или CTSS, был продемонстрирован в ноябре 1961 года. Утверждается что CTSS — первая система с разделением времени. Она использовалась до 1973 года. Другим претендентом на первую демонстрацию системы разделения времени была созданная Дональдом Блитцером система PLATO II, публично демонстрировавшаяся в Роберт Аллертон Парк в Университете Иллинойса в начале 1961 года. Блитцер говорил что проект PLATO получил бы патент на разделение времени, если бы только Университет Иллинойса знал как обрабатывать заявки на патент быстрее. Первой коммерчески успешной системой разделения времени была Dartmouth Time Sharing System.
Развитие
В период с конца 1960-х до конца 1970-х годов, компьютерные терминалы подключались к крупным мейнфреймам организаций (Централизованным вычислительным системам), которые во многих реализациях последовательно опрашивали терминалы чтобы увидеть, есть ли какие-либо дополнительные данные или действия, запрошенные пользователем компьютера. В дальнейшем, вместо опроса терминалов стали использоваться прерывания, а для связи — применяться технологии параллельной передачи данных, таких как стандарт IEEE 488. Как правило, компьютерные терминалы размещались в высших учебных заведениях и использовались также, как настольные (персональные) компьютеры сегодня. В самом начале эпохи персональных компьютеров, многие из них фактически использовались как терминалы для систем с разделением времени.
С развитием микрокомпьютеров в начале 1980-х годов, разделение времени отошло на второй план, поскольку отдельные микропроцессоры были достаточно дёшевы для того, чтобы один человек мог единолично распоряжаться всем процессорным временем, даже во время бездействия. Тем не менее, интернет вернул популярность концепции разделения времени. Дорогие корпоративные серверные «фермы» стоимостью в миллионы долларов предоставляют тысячам пользователей доступ к одним и тем же общим ресурсам. Как и ранние последовательные терминалы, сайты имеют дело в основном с всплесками активности, за которыми следуют периоды простоя. Подобный «всплесковый» характер позволяет использовать сервис множеству посетителей сайта одновременно так, что ни один из них не замечает каких-либо задержек передачи данных, пока загрузка серверов не станет слишком велика.
Особенности ОС с режимом разделения времени
Когда в составе компьютерных систем появились терминалы (вначале телетайпы, затем дисплеи), возникла необходимость реализации в ОС режима разделения времени ( time sharing ) – возможности одновременной работы пользователей со своими заданиями с терминалов, ввода заданий в систему, их запуска (при наличии свободного процессора), управления заданиями с терминала, их приостановки, отладки, визуализации на терминале их результатов. Рассмотрим особенности ОС с режимом разделения времени.
Хранение заданий в памяти или на диске
Ресурсы процессора в ОС с разделением времени распределены между несколькими заданиями, находящимися в памяти или на диске. Задание загружается в память (при наличии свободной памяти), если оно является пакетным и выбрано операционной системой для выполнения, либо если оно активируется пользователем с терминала. Процессор выделяется только тем заданиям, которые находятся в памяти.
Откачка и подкачка (swapping)
Поддержка диалогового взаимодействия между пользователем и системой
Когда ОС завершает исполнение пользовательской команды, она выполняет поиск следующего управляющего оператора (control statement),введенного с пользовательской клавиатуры.
Предоставление диалогового доступа к данным и коду пользовательской программы
В ОС с разделением времени обеспечивается возможность для пользователя ввода, запуска, редактирования, отладки своей программы с терминала, управления своим заданием (приостановки, с последующим возобновлением), просмотра его промежуточных результатов, состояния памяти и регистров, просмотра окончательных результатов на терминале при завершении задания.
Следует учитывать, что в ОС с разделением времени обрабатываются как пакетные, так и интерактивные (диалоговые) задания, поэтому система должна обеспечивать их диспетчеризацию – переключение в нужный момент с диалогового задания на пакетное, либо с одного диалогового (пакетного) задания на другое.
Известные системы с разделением времени
ОС Windows. Режим разделения времени
Появление электроннолучевых дисплеев и переосмысление возможностей применения клавиатур поставили на очередь решение этой проблемы. Логическим расширением систем мультипрограммирования стали time-sharing системы или системы разделения времени **. В них процессор переключается между задачами не только на время операций ввода-вывода, но и просто попрошествии определенного интервала времени. Эти переключения происходят столь часто, что пользователи могут взаимодействовать со своими программами во время их выполнения, то есть интерактивно. В результате появляется возможность одновременной работы многих пользователей на одной компьютерной системе. У каждого пользователя для этого должна быть хотя бы одна программа в памяти. Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти. Основная часть программы находится на диске и необходимый для ее дальнейшего выполнения кусок может быть легко загружен в оперативную память, а ненужный выкачан обратно на диск. Это реализуется с помощью механизма виртуальной памяти. Основным достоинством такого механизма является создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ.
В системах разделения времени пользователь получил возможность легко и эффективно вести отладку своей программы в интерактивном режиме, записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры. Появление on-line файлов привело к необходимости разработки развитых файловых систем.
Параллельно внутренней эволюции вычислительных систем в этот период наблюдается и внешняя их эволюция. До начала этого периода вычислительные комплексы были, как правило, несовместимы. Каждый имела свою собственную специальную операционную систему, свою систему команд и т.д. В результате программу, успешно работающую на одном типе машин, необходимо было полностью переписать и заново отладить для другого типа компьютеров. В начале третьего периода появилась идея создания семейств программно-совместимых машин, работающих под управлением одной и той же операционной системы. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. За ней последовала линия компьютеров PDP, несовместимых с линией IBM, кульминацией которой стала PDP-11.
Сила одной семьи была одновременно и ее слабостью. Широкие возможности этой концепции (наличие всех моделей: от миникомпьютеров до гигантских машин; обилие разнообразной периферии; различное окружение; различные пользователи) порождали сложную и огромную операционную систему. Миллионы строчек ассемблера, написанные тысячами программистов, содержали множество ошибок, что вызывало непрерывный поток публикаций о них и попыток их исправления. Только в операционной системе OS/360 содержалось более 1000 известных ошибок. Тем не менее, идея стандартизации операционных систем была широко внедрена в сознание пользователей и в дальнейшем получила активное развитие.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Пакетная обработка
Первые компьютеры были чрезвычайно дорогими устройствами и очень медленными по сравнению с более поздними моделями. Машины, как правило, предназначались для выполнения определенного набора задач и управлялись панелями управления, оператор вручную вводил небольшие программы с помощью переключателей, чтобы загрузить и запустить серию программ. Для запуска этих программ могут потребоваться часы. По мере того, как скорость компьютеров росла, время выполнения сокращалось, и вскоре стало проблемой время, необходимое для запуска следующей программы. Новое программное обеспечение и методики пакетной обработки данных сократили эти «мертвые периоды» за счет постановки в очередь программ: были разработаны операционные системы, такие как IBSYS (1960).
Сравнительно недорогие устройства для перфорации карт или записи на бумажную ленту использовались программистами для написания своих программ в автономном режиме. Программы были переданы в оперативную группу, которая запланировала их запуск. Вывод (обычно распечатанный) был возвращен программисту. Полный процесс может занять несколько дней, в течение которых программист может никогда не увидеть компьютер.
Альтернатива, позволяющая пользователю напрямую управлять компьютером, обычно была слишком дорогой, чтобы ее рассматривать. Это было связано с тем, что пользователи могли длительное время вводить код, пока компьютер оставался бездействующим. Эта ситуация ограничивала интерактивное развитие тем организациям, которые могли позволить себе тратить вычислительные циклы впустую: по большей части крупные университеты. Студенты Стэнфорда сняли короткометражный фильм, в котором с юмором критикуют эту ситуацию.
Совместное времяпровождение
Разработка
С появлением микрокомпьютеров в начале 1980-х годов разделение времени стало менее значимым, поскольку отдельные микропроцессоры были достаточно дешевыми, чтобы один человек мог выделить все время ЦП исключительно на свои нужды, даже когда он простаивает.
Однако Интернет вернул популярность общей концепции разделения времени. Дорогие корпоративные серверные фермы стоимостью в миллионы могут обслуживать тысячи клиентов, использующих одни и те же общие ресурсы. Как и в случае с ранними последовательными терминалами, веб-сайты в основном работают в режиме всплесков активности, за которыми следуют периоды простоя. Такой характер пакетной передачи позволяет использовать услугу сразу для многих клиентов, обычно без заметных задержек связи, если только серверы не начинают сильно загружаться.
Бизнес с разделением времени
Взлет и падение
В 1975 году об одном из крупнейших производителей супер-мини-компьютеров было сказано, что «крупнейшим рынком для конечных пользователей в настоящее время является разделение времени». Для DEC, которая какое-то время была второй по величине компьютерной компанией (после IBM), это также было правдой: их PDP-10 и IBM 360/67 широко использовались коммерческими службами разделения времени, такими как CompuServe, On-Line Systems (OLS), Rapidata. и Time Sharing Ltd.
Появление персональных компьютеров положило начало упадку разделения времени. Экономика была такова, что компьютерное время из дорогостоящего ресурса, которым нужно было делиться, превратилось в настолько дешевое, что компьютеры можно было оставлять без дела в течение длительного времени, чтобы быть доступными по мере необходимости.
Rapidata в качестве примера
Соединенное Королевство
Компьютерная утилита
Безопасность
Чтобы этого не произошло, операционная система должна была применять набор политик, определяющих, какие привилегии имеет каждый процесс. Например, операционная система может запретить доступ к определенной переменной определенному процессу.
Первая международная конференция по компьютерной безопасности в Лондоне в 1971 году была вызвана прежде всего индустрией разделения времени и ее клиентами.
Система с разделением времени VS современная ЛВС
Вопрос из книги Таненбаума про компьютерные сети к главе 1 «Введение», цитата:
Альтернативой локальной сети является большая система разделения времени с терминалом для каждого пользователя. Приведите два преимущества клиент-серверной системы, использующей локальную сеть.
Перевод словосочетания «timesharing system» как «система разделения времени», думаю, несколько искажает смысл оригинала. Из перевода можно подумать, что главной целью такой системы (компьютера) является разделение времени. Однако, главной задачей любого компьютера (компьютерной системы) является выполнение вычислений. «Разделение времени» в данном случае — лишь способ сделать использование имеющейся компьютерной системы более эффективным. Правильным переводом должно быть что-то вроде словосочетания «система с разделением времени».
Разберемся подробнее, что тут имеется в виду. Еще до создания сети ARPANET (прародителя современного интернета), в 1950-х и 1960-х годах, компьютеры стоили очень дорого (по нескольку миллионов долларов) и были большими в размерах. Например, небогатый университет с трудом мог позволить себе купить один такой компьютер.
К одному такому гиганту подключали множество терминалов, представляющих собой совмещенные устройство ввода и устройство вывода. С терминала можно было отдавать команды компьютеру-гиганту и получать его ответы. Сам терминал не мог делать никаких вычислений, так как у него не было центрального процессора. Таким образом с одним гигантским компьютером через множество терминалов могло работать множество людей.
Но в то время, пока один человек вводил через терминал команду, компьютер-гигант не выполнял никаких вычислений. Это было очень неэффективное использование настолько дорогой вещи. Чтобы повысить эффективность использования компьютера, придумали систему с разделением времени. Пока человек с одного терминала вводил команду, теперь компьютер выполнял введенные ранее команды с других терминалов. Время центрального процессора разделялось на кусочки — каждый кусочек для отдельного терминала. Поэтому такую систему и назвали «система с разделением времени» (по-английски «timesharing system»). Подробнее:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Разделение_времени
Почему Таненбаум сравнивает «большую систему с разделением времени и терминалами» с «клиент-серверной системой, использующей локальную сеть»?
В принципе, если представить некую организацию, в которой есть один мощный компьютер (большая система с разделением времени), а во все кабинеты поставлены терминалы, связанные проводами с этим мощным компьютером, то и получится что-то вроде локальной сети этой организации.
В чем отличие такой системы от современной локальной сети? В современной локальной сети организации тоже есть один (или несколько) мощных компьютеров, которые называют серверами. Однако, клиенты (терминалы) в современной сети имеют свои вычислительные мощности, то есть свой центральный процессор. В принципе, в современной локальной сети все узлы, думается, равноправны и любой клиент может быть сервером, а сервер может стать клиентом. На самом деле, клиент — это просто заказчик услуг, а сервер — поставщик услуг. Клиент и сервер — это даже не «железо», а программы. Подробнее:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Клиент_—_сервер
Еще одно отличие в том, что в современной локальной сети используется технология «коммутации пакетов» (по-английски «packet switching»). Подробнее:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Коммутация_пакетов
Я понимаю обе сущности, но не могу сказать, что одна сущность лучше другой. Большая система с разделением времени и терминалами в своё время была единственным выбором. В то время просто невозможно было создать что-то вроде современной локальной сети, потому что у одной организации с трудом хватало денег на один тогдашний компьютер, а современная сеть предназначена для соединения нескольких компьютеров. Только когда компьютеры уменьшились в размерах и подешевели, стало возможным и создание современной локальной сети.
Операционные системы разделения времени.
Такие системы обеспечивают одновременное обслуживание многих пользователей, позволяя каждому пользователю взаимодействовать со своим заданием в режиме диалога. Эффект одновременного обслуживания достигается разделением процессорного времени и других ресурсов между несколькими вычислительными процессами, которые соответствуют отдельным заданиям пользователей. Операционная система предоставляет ЭВМ каждому вычислительному процессу в течение небольшого интервала времени; если вычислительный процесс не завершился к концу очередного интервала, он прерывается и помещается в очередь ожидания, уступая ЭВМ другому вычислительному процессу. ЭВМ в этих системах функционирует в мультипрограммном режиме.
Операционная система разделения времени может применяться не только для обслуживания пользователей, но и для управления технологическим оборудованием. В этом случае “пользователями” являются отдельные блоки управления исполнительными устройствами, входящими в состав технологического оборудования: каждый блок взаимодействует с определённым вычислительным процессом в течение интервала времени, достаточного для передачи управляющих воздействий на исполнительное устройство или приёма информации от датчиков.
Операционные системы реального времени.
Данные системы гарантируют оперативное выполнение запросов в течение заданного интервала времени. Запросы могут поступать от пользователей или от внешних по отношению к ЭВМ устройств, с которыми системы связаны каналами передачи данных. При этом скорость вычислительных процессов в ЭВМ должна быть согласована со скоростью процессов, протекающих вне ЭВМ, т. е. согласована с ходом реального времени. Эти системы организуют управление вычислительными процессами таким образом, чтобы время ответа на запрос не превышало заданных значений. Необходимое время ответа определяется свойствами объектов (пользователей, внешних устройств), обслуживаемых системой. Операционные системы реального времени используются в информационно – поисковых системах и системах управления технологическим оборудованием. ЭВМ в таких системах функционирует чаще в многозадачном режиме.