Операционные системы.Введение

Литература
Основная
1.Назаров С.В. Операционные среды, системы и оболочки. Основы структурной и функциональной организации. – М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2007
2. Назаров С.В., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Операционные системы. Практикум. – М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008
1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2006
2. Столингс В. Операционные системы. М.: Вильямс, 2006
3. Назаров С. В. Администрирование локальных сетей Windows NT/2000/.NET. М.: Финансы и статистика, 2003
Дополнительная
Таненбаум Э. Современные операционные системы. Изд-е 4. СПб., Питер, 2015
Мюллер Дж., Чоудри П. Microsoft Windows 2000. Настройка и оптимизация производительности. М.: ЭКОМ, 2001
Рихтер Д. Windows для профессионалов. М.: Русская редакция, 2006

7. Назаров С. В. Операционные системы специализированных вычислительных комплексов: Теория построения и системного проектирования. - М.: Машиностроение, 1989.
8. Варфоломеев В.И., Назаров С.В. Алгоритмическое моделирование элементов экономических систем. – М.: Финансы и статистика, 2004.

Тема 1. Введение. Назначение, функции и архитектура операционных систем. Основные определения и понятия
1.1. Определение операционной системы (ОС). Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем
1.2. Эволюция операционных систем
1.3. Назначение, состав и функции ОС
1.4. Архитектуры операционных систем
1.5. Классификация операционных систем
1.6. Эффективность и требования, предъявляемые к ОС
1.7. Множественные прикладные среды. Совместимость
1.8. Инсталляция и конфигурирование операционных систем

1.1. Определение операционной системы (ОС). Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем
1946 г. – ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) – полное отсутствие какого-либо ПО, программирование путем коммутации устройств.
Начало 50-х г. – появление алгоритмических языков и системного ПО.
Усложнение процесса выполнения программ:
1. Загрузка нужного транслятора.
2. Запуск транслятора и получение программы в машинных кодах.
3. Связывание программы с библиотечными подпрограммами.
4. Запуск программы на выполнение.
5. Вывод результатов работы на печатающее или другое устройство.
Для повышения эффективности использования ЭВМ вводятся операторы,
затем разрабатываются управляющие программы – мониторы - прообразы
операционных систем.
1952 г. – Первая ОС создана исследовательской лабораторией фирмы General Motors для IBM-701.
1955 г. – ОС для IBM-704. Конец 50-х годов: язык управления заданиями и пакетная обработка заданий.

1963 г. – ОС MCP (Главная управляющая программа) для компьютеров B5000 фирмы Burroughs: мультипрограммирование, мультипроцессорная обработка,виртуальная память, возможность отладки программ на языке исходного уровня, сама ОС написана на языке высокого уровня.​
1963 г. – ОС CTSS (Compatible Time Sharing System – совместимая система разделения времени для компьютера IBM 7094 – Массачусетский технологический институт.​
1963 г. – ОС MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) – Массачусетский технологический институт.​
1974 г. – (UNICS) UNIX (Uniplexed Information and Computing Service) для компьютера PDP-7, публикация статьи Ритчи (С) и Томпсона.​
1981 г. – PC (IBM), DOS (Seattle Computer Products) – MS DOS (Б. Гейтс).​
1983г. – Apple, Lisa с Apple, Lisa с GUI (Даг Энгельбарт – Стэнфорд).​
1985 г. – Windows, X Windows и Motif (для UNIX).​
1987 г. – MINIX (Э. Таненбаум) – 11800 стр. С и 800 ассемблер (микроядро – 1600 С и 800 ассемблер)​
1991 г. – Linux (Линус Торвальдс).​

Физические устройства (контроллеры, шины, монитор и т. д.)
Микроархитектура (регистры ЦП, АЛУ)
Утилиты
Компиляторы
Редакторы
Интерпретаторы команд
Прикладные программы
Конечный пользователь
Программист
Машинный язык
Операционная система
Разработчик ОС
Расположение ОС в иерархической структуре программного и аппаратного обеспечения компьютера

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
- это набор программ, контролирующих работу прикладных программ и системных приложений и исполняющих роль интерфейса между пользователями, программистами, приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.
ОПЕРАЦИОННАЯ СРЕДА
- программная среда, образуемая операционной системой, определяющая интерфейс прикладного программирования (API) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), предоставляемых прикладным программам.
ОПЕРАЦИОННАЯ ОБОЛОЧКА
- часть операционной среды, определяющая интерфейс пользователя, его реализацию (текстовый, графический и т.п.), командные и сервисные возможности пользователя по управлению прикладными программами и компьютером

1.2. Эволюция операционных систем
Многопрог- 1970 Динамическое распределение основной памяти
второе раммные Разделение времени, многотерминальные системы
UNIX (PDP-7), Ken Thompson
поколение ОС 1965 Управляемое мультипрограммирование
Классическое мультипрограммирование, OS/360
Однопрог- ОС CTSS (1963), MULTICS (начало работ)
раммные Оверлейные структуры
ОС Логическая система управления вводом-выводом
(первое 1960 Системы прерываний, контрольные точки
поколение) Управление файлами, таймеры
Спулинг (SPOOL)
Мониторы
1955 Методы доступа, полибуферизация
Загрузчики, редакторы связей
Отсутствие ОС 1950 Диагностические программы
(нулевое Ассемблеры, макрокоманды
поколение) Библиотеки подпрограмм
1946 Первый компьютер

распре- 2003 Windows 2003
делен- .NET Framework, MAC OS X
ные 2000 Windows 2000
ОС Windows 4.0 – 1996
1995 Windows 95
много- четвертое Корпоративные информационные системы
процес- поколение NetWare 4.0 – 93, Windows NT 3.1 – 93
сорные ОС Linux 0.01 - 1993
ОС 1990 MINIX – 87 (11800 стр. С + 800 стр. Asm.)
сетевые много- OS/2 - 87
ОС машинные 1985 OS-Net (Novell) - 83, MS-Net - 84, Windows 1.0 – 85
ОС Интернет (1983), Персональные компьютеры (1981)
MS DOS 1.0 – (1981)
1980 Сети ЭВМ, UNIX, TCP/IP
третье Локальные сети
поколение 1975 SNA (System Network Architecture), MULTICS
ОС Протокол X.25, телеобработка, базы данных
1965 Виртуальная ЭВМ, Виртуальная память
2005 Windows 2003, 64-разрядная
2007 Windows Vista, Windows 7

Операционные системы IBM
1. BPS/360 (Базовая программная поддержка)
2. BOS/360 (Базовая операционная система)
3. TOS/360 (Ленточная операционная система)
4. DOS/360 (Дисковая операционная система)
5. OS/360 – PCP (Первичная управляющая программа)
6. OS/360 – MFT (Мультипрограммирование с фиксированным числом задач)
7. OS/360 – MVT (Мультипрограммирование с переменным числом задач)
8. OS/360 – VMS (Система с переменной памятью)
9. CP-67/CMS (Управляющая программа 67/ диалоговая мониторная система)
10. DOS/VS (Дисковая виртуальная система)
11. OS/VS1 (Виртуальная система 1)
12. OS/VS2 (Виртуальная система 2)
13. VM/370 (Виртуальная машина)

1.3. Назначение, состав и функции ОС
Назначение
1. Обеспечение удобного интерфейса [приложения, пользователь] - компьютер за счет предоставляемых сервисов:
1.1. Инструменты для разработки программ
1.2. Автоматизация исполнения программ
1.3. Единообразный интерфейс доступа к устройствам ввода-вывода
1.4. Контролируемый доступ к файлам
1.5. Управление доступом к совместно используемой ЭВМ и ее ресурсам
1.6. Обнаружение ошибок и их обработка
1.7. Учет использования ресурсов
2. Организация эффективного использования ресурсов ЭВМ
2.1. Планирование использования ресурса
2.2. Удовлетворение запросов на ресурсы
2.3. Отслеживание состояния и учет использования ресурса
2.4. Разрешение конфликтов между процессами, претендующими на одни и те же ресурсы

3. Облегчение процессов эксплуатации аппаратных и программных средств вычислительной системы
3.1. Широкий набор служебных программ (утилит), обеспечивающих резервное копирование, архивацию данных, проверку, очистку, дефрагментацию дисковых устройств и др.
3.2. Средства диагностики и восстановления работоспособности вычислительной системы и операционной системы:
- диагностические программы для выявления ошибок в конфигурации ОС;
- средства восстановления последней работоспособной конфигурации;
- средства восстановления поврежденных и пропавших системных файлов и др.
4. Возможность развития
4.1. Обновление и возникновение новых видов аппаратного обеспечения
4.2. Новые сервисы
4.3. Исправления (обнаружение программных ошибок)
4.4. Новые версии и редакции ОС

Состав компонентов и функции операционной системы:
1. Управление процессами
2. Управление памятью
3. Управление файлами
4. Управление внешними устройствами
5. Защита данных
6. Администрирование
7. Интерфейс прикладного программирования
8. Пользовательский интерфейс

1.4. Архитектуры операционных систем
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ АРХИТЕКТУРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ:
1. Концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы (виртуальной машины) с ОС многослойной структуры.
2. Разделение модулей ОС по функциям на две группы: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие остальные (вспомогательные) функции.
3. Разделение модулей ОС по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций.
4. Реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного режима (режима ядра – kernel mode) или режима супервизора (supervisor) и пользовательского режима (user mode) или режима задача (task mode).
5. Ограничение функций ядра (а, следовательно и числа его модулей)
до минимально необходимых функций.

6. Модульное строение (однократно используемые – при загрузке ОС) и повторно используемые (привилегированные – не допускают прерываний, реентерабельные – допускают прерывания и повторный запуск, повторновходимые – допускают прерывания после завершения секций).
7. Параметрическая универсальность. Возможность генерации ОС и создания нескольких рабочих конфигураций.
8. Функциональная избыточность.
9. Функциональная избирательность.
10. Открытость, модифицируемость, расширяемость (возможность получения текстов исходных модулей).
11. Мобильность – возможность переноса на различные аппаратные платформы.
12. Совместимость – возможность выполнения приложений, рассчитанных на другие ОС.
13. Безопасность – защита от несанкционированного доступа, защита легальных пользователей друг от друга, аудит, возможность восстановления ОС после сбоев и отказов.

Модульно – интерфейсный подход (структурный подход)
1. Декомпозиция системы на на модули по структурному или функциональному признаку.
2. Модули и их взаимные связи образуют абстракцию системы высокого уровня.
3. Описывается каждый модуль и определяется его интерфейс.
4. Проводится декомпозиция каждого модуля и т. д.
Спецификации модулей и их интерфейсов дают структурную основу для проектирования каждого модуля и всей системы в целом.
Правильное определение и выделение модулей представляет собой сложную задачу. Тесно связанные между собой части системы должны входить в один и тот же модуль.
Разработчики программного обеспечения начинают работу с очень грубого и неполного наброска схемы системы и преждевременно обращают внимание на детали отдельных модулей. Поэтому решения, влияющие на систему глобальным образом, принимаются не из тех предпосылок, из которых нужно и без ясного понимания их последствий.
Преждевременная реализация приводит к неустойчивости программного обеспечения, которая часто требует огромных усилий по поддержанию системы.

Многослойная (иерархическая) структура операционной системы и метод проектирования «сверху вниз» и «снизу вверх»
Операционная система представляется в виде иерархии слоев.
Верхний слой определяет виртуальную машину с желаемыми свойствами.
Каждый следующий слой детализирует вышележащий, выполняя для него некоторый набор функций.
Межслойные интерфейсы подчиняются строгим правилам. Связи внутри слоя могут быть произвольными.
Отдельный модуль слоя L(i) может выполнить работу самостоятельно или последующим вариантам: обратиться только к слою L(i –1); обратиться к некоторой команде определенного слоя L(q), который выполняет требуемую функцию (i – 2 <= q <= 0); обратиться к любому последующему слою L(s), (i – 2 <= s <= 0).
1. Между уровнями можно организовать четкий интерфейс. 2. Систему можно спроектировать методом «сверху вниз», а реализовать методом «снизу вверх». 3. Уровни реализуются в соответствии с их порядком, начиная с аппаратуры и далее вверх. 4. Каждую новую виртуальную машину можно детально проверить, после чего продолжать дальнейшую работу. 5. Любой слой достаточно просто модифицировать, не затрагивая другие слои и не меняя межслойные интерфейсы.
Достоинства:

Монолитная архитектура операционной системы
От приложений
системный интерфейс
А п п а р а т у р а
Модули
ОС
Пример: ранние версии ядра UNIX, Novell NetWare. Каждая процедура имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов и может любую другую для выполнения нужной работы.

Аппаратура
Средства апп.
поддержки ОС
Машинно-зависимые
модули ядра ОС
Базовые механизмы
ядра
Менеджеры ресурсов
Файловая сис., вирт. память и др.
Интерфейс системных
вызовов API
Утилиты, системные программы
Приложения пользователей
АРХИТЕКТУРА МНОГОУРОВНЕВОЙ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Смена режимов при выполнении вызова функции ядра
Работа приложения
Системный вызов
Пользовательский режим
Привилегированный режим
Работаядра
Время переключения режимов
t
t
Недостатки иерархической организации ОС: 1. Значительные изменения одного из уровней могут иметь трудно предвидимое влияние на смежные уровни. 2. Многочисленные взаимодействия между соседними уровнями усложняют обеспечение безопасности.

Микроядерная архитектура ОС
Аппаратура
Средства аппаратной поддержки ОС
Средства аппаратной поддержки ОС
Аппаратура
МИКРОЯДРО (режим ядра)
Машинно-зависимые модули
Базовые механизмы ядра
Утилиты. Системные программы
Приложения пользователей
Средства аппаратной поддержки ОС
Аппаратура
API
Сервер безопасности
ыыы
Файловая система
Драйвер устройств
Менеджер процессов
Менеджер виртуальной памяти
Интерфейс системы ввода-вывода
Утилиты ОС, приложения
РЕЖИМ ЯДРА
Пользовательский режим

Структура ОС клиент-сервер
Приложение
А П П А Р А Т У Р А
МИКРОЯДРО
Сервер
памяти
Файл-
сервер
Принт-
сервер
РЕЖИМ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
РЕЖИМ ЯДРА
Запрос
Ответ
Запрос
Ответ
Сервер
процессов

Смена режимов при выполнении вызова функции микроядра
Приложение
Системный
вызов
МИКРОЯДРО
МИКРОЯДРО
СЕРВЕР ОС
Приложение
t
t
t
t
Р Е Ж И М Я Д Р А
Р Е Ж И М ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Достоинства: единообразные интерфейсы, расширяемость, гибкость, переносимость, надежность, поддержка распределенных систем, поддержка объектно-ориентированных ОС.

Классификация ядер операционных систем
1. Наноядро (НЯ) – крайне упрощённое и минимальное ядро, выполняет лишь одну задачу – обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки посылает информацию о результатах обработки вышележащему программному обеспечению. Концепция наноядра близка к концепции HAL. НЯ используются для виртуализации аппаратного обеспечения реа-льных компьютеров или для реализации механизма гипервизора.
2. Микроядро (МЯ) предоставляет только элементарные функции управле-ния процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользователь-ских процессов, называемых сервисами. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файло-вые системы и т. д. Микроядерными являются ядра ОС Minix и GNU Hurd и ядро систем семейства BSD.
3. Экзоядро (ЭЯ) – предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. ЭЯ не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов – эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). В отличие от микроядра ОС, базирующиеся на ЭЯ, обеспечивают боль-шую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.

4. Монолитное ядро (МЯ) предоставляет широкий набор абстракций оборудования. Все части ядра работают в одном адресном пространстве. МЯ требуют перекомпиляции при изменении состава оборудования. Компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составны-ми частями одной программы. МЯ более производительно, чем микроядро, поскольку работает как один большой процесс. МЯ является большинство Unix-систем и Linux. Монолитность ядер усложняет отладку, понимание кода ядра, до-бавление новых функций и возможностей, удаление ненужного, унаследованно-го от предыдущих версий, кода. «Разбухание» кода монолитных ядер также по-вышает требования к объёму оперативной памяти.
5. Модульное ядро (Мод. Я) – современная, усовершенствованная модификация архитектуры МЯ. В отличие от «классических» МЯ, модульные ядра не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппарат-ного обеспечения компьютера. Вместо этого они предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей, поддерживающих то или иное аппаратное обеспе-чение (например, драйверов). Подгрузка модулей может быть как динамической, так и статической (при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы). Мод. Я удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра. Они пре-доставляют программный интерфейс (API) для связывания модулей с ядром, для обеспечения динамической подгрузки и выгрузки модулей. Не все части ядра могут быть сделаны модулями. Некоторые части ядра всегда обязаны присут-ствовать в оперативной памяти и должны быть жёстко «вшиты» в ядро.

6. Гибридное ядро (ГЯ) – модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве яд-ра. Имеют «гибридные» достоинства и недостатки. Примером смешанного под-хода может служить возможность запуска операционной системы с монолит-ным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, осно-ванные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляется моно-литным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток исполь-зовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.
Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Хотя Windows NT часто называют микроядерной операционной системой, это не совсем так. Микроядро NT слишком велико (более 1 Мбайт), чтобы носить приставку «микро». Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем переда-чи сообщений, как и положено в микроядерных операционных систе-мах. В то же время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром

Средства аппаратной поддержки ОС
1. Средства поддержки привилегированного режима: системные регистры процессора, слово состояния процессора, привилегированные команды, привилегированные режимы.
2. Средства трансляции адресов: буферы быстрой трансляции виртуальных адресов, регистры процессора, средства поддержки сегментно-страничных таблиц.
3. Средства переключения процессов: регистры общего назначения, системные регистры и указатели, флаги операций.
4. Система прерываний: регистры и флаги прерываний, регистры масок, контроллеры прерываний.
5. Системный таймер и системные часы.
6. Средства защиты памяти: граничные регистры, ключи.

1.5. Классификация операционных систем
1. Назначение (универсальные, специализированные – управление производством, обучение)
2. Способ загрузки (загружаемые, постоянно находящиеся в памяти)
3. Особенности алгоритмов управления ресурсами
3.1. Многозадачность: однозадачные (MS DOS), невытесняющая мно-гозадачность (Windows 3.x, NewWare), вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, Unix)
3.2. Многопользовательский режим: отсутствие (MS DOS, Windows 3.x), имеется (Windows NT, OS/2, Unix)
3.3. Многопроцессорная обработка: отсутствие, асимметричные ОС,
симметричные ОС
4. По базовой технологии (Юникс-подобные или подобные Windows)
5. По типу лицензии (проприетарная или открытая)
6. По состоянию развития (устаревшая DOS, NextStep или современные GNU/Linux и Windows)

7. Область использования и форма эксплуатации
пакетная обработка (OS/360)
разделение времени
реальное время (VxWorks,QNX)
8. Аппаратная платформа
8.1. ОС для смарт-карт (с интерпретатором виртуальной Java-машины)
8.2. Встроенные ОС (Palm OS, Windows CE –Consumer Electronics)
8.3. ОС для ПК (Windows 9.x, Windows 2000, Linux, Mac OS X)
8.4. ОС мини-ЭВМ (RT-11 и RSX-11M для PDP-11, UNIX для PDP-7)
8.5. ОС мэйнфреймов (OS/390 – пакетная обработка, разделение времени, обработка транзакций)
8.6. Серверные операционные системы для ЛВС, Интранет и Интернет (UNIX, AIX, Windows 2000/2002, Linux)
8.7. Кластерные операционные системы (Windows 2000 Cluster Server, Sun Cluster (Solaris))

1.6. Эффективность и требования, предъявляемые к операционным системам
1. Эффективность – степень соответствия своему назначению, техническое совершенство и экономическая целесообразность
2. Надежность и отказоустойчивость
3. Безопасность (защищенность)
4. Предсказуемость
5. Расширяемость
6. Переносимость
7. Совместимость
8. Удобство
9. Масштабируемость

1.7. Множественные прикладные среды. Совместимость
Совместимость – возможность операционной системы выполнять приложения , разработанные для других операционных систем.
Виды совместимости:
1. На двоичном уровне (уровень исполняемой программы).
2. На уровне исходных текстов (уровень исходного модуля).
Вид совместимости определяется:
1. Архитектурой центрального процессора.
2. Интерфейсом прикладного программирования (API).
3. Внутренней структурой исполняемого файла.
4. Наличием соответствующих компиляторов и библиотек.
Способы достижения совместимости:
1. Эмуляция двоичного кода.
2. Трансляция библиотек.
3. Создание множественных прикладных сред различной архитектуры.

Обычное приложение OS1
Приложение
OS2
API OS2
Транслятор системных вызовов
Приложение
OS3
API OS3
Транслятор системных вызовов
Пользовательский режим
Привилегированный режим
Прикладная среда OS2
Прикладная среда OS3

API OS1
API OS3
Приложение OS1
Приложение OS2
Приложение OS3
Пользовательский режим
Привилегированный режим

МИКРОЯДРО
Приложения
Серверы ОС
Приложение OS1
Приложение OS2
Приложение OS3
Привилегированный режим
Прикладная программная среда OS3
Прикладная программная среда OS2
Прикладная программная среда OS1
Сетевой сервер
Сервер безопасности
Пользовательский режим

Подсистемы среды Windows 2000
Приложения Win32
Приложения POSIX
Приложения OS/2
Подсистема Win32
Подсистема POSIX
Подсистема OS2
Интегральные подсистемы (службы сервера, рабочей станции и подсистема обеспечения безопасности)
СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС (NT DLL.DLL)
Режим пользователя
Режим ядра

1.8. Виртуализация от Microsoft

Виртуализация приложений

Виртуализация от Microsoft

Архитектура. Virtual Machine Monitor (VMM)
ЦП вынужден переключаться между процессами базовой ОС и гостевой ОС
VMM переключает контекст между этими процессами
Компьютер работает в контексте хоста либо VMM
На одном ЦП может работать только одна ОС
Сжатие кода нулевого кольца (ring 0) гостевой ОС

Виртуализация ЦП. Проблемы
При прямом доступе гостевая ОС будет работать быстро! (99%) Когда требуется выполнить привилегированную операцию, срабатывает ловушка, и VMM обрабатывает эту операцию в режиме ядра.
Проблема: полная виртуализация платформы x86 таким способом невозможна, так как некоторые инструкции ЦП для режима ядра, выполняющие чтение, разрешены не только в нулевом кольце
Возможные решения:
a) Перекомпилировать ОС и приложения, избегая этих 20 инструкций, т.е. исключить 20 «проблемных» инструкций.
b) Воспользоваться исполнением с трансляцией двоичного кода ( модификация кода «на лету» во время выполнения на хосте).
c) Установить в гостевой системе VM Additions, что позволит модифицировать код в памяти VM.
d) Использовать аппаратную поддержку виртуализации (перехват инструкций в особом “кольце -1”).

Решения
1. Преобразование двоичного кода
Трансляция инструкций гостевой операционной системы в инструкции базовой ОС. Всегда возможна, но работает очень медленно.
2. VM Additions
Модифицирует dll-код в памяти VM (невозможно в 64-разрядных версиях Vista и Longhorn).
VM Additions поддерживают синхронизацию времени, «пульс», завершение работы, оптимизированный SCSI-диск, лучшие драйверы мыши и видео.
3. Аппаратная виртуализация
ЦП с поддержкой технологий Intel VT или AMD Virtualization. ЦП решает проблемы, отслеживая параметры каждой VM (фактически, это «кольцо -1»).

Версии VM Additions

Linux VM Additions
Добавляется поддержка:
Синхронизации времени
«Пульса»
Завершения работы
SCSI-дисков
Драйвер мыши и видео
Поддержки прямого исполнения кода нет!
Дистрибутивы (9x):
Red Hat 7.3/9.0, Enterprise 2.1/3/4
SuSE Linux 9.2/9.3/10.0, Enterprise Server 9
В выпуске VS 2005 R2 SP1 поддерживаются гостевые ОС : Red Hat Enterprise Linux 2.1 (update 7), Red Hat Enterprise Linux 3.0 (update 8), Red Hat Enterprise Linux 4.0 (update 4), Red Hat Enterprise Linux 5.0, SuSE Linux Enterprise Server 9.0, SuSE Linux Enterprise Server 10.0, Red Hat Linux 9.0, SuSE Linux 9.3, SuSE Linux 10.0, SuSE Linux 10.1, SuSE Linux 10.2.

Win2003 или WinXP
Ядро
VMM.sys
Кольцо 0
Оборудование
Базовая ОС
Гостевая система (VM)
Кольцо 1
Кольцо 3
Windows в VM
VM Additions
Гостевые приложения
Кольцо 3
Служба Virtual Server
IIS
Веб-сайт
Виртуальное оборудование
ЦП
Кольцо "-1"
Архитектура виртуализации с аппаратной поддержкой

Виртуализация с аппаратной поддержкой (Intel VT или AMD Virtualization)
Поддерживается в:
Virtual PC 2007
Virtual Server 2005 R2 SP1
Windows Virtualization (обязательно)
Необходимо включить в BIOS и в параметрах Virtual PC 2007
Скорость работы гостевых ОС Windows не повышается
Последние версии VM Additions уже поддерживают прямой доступ к ЦП
Установка Windows выполняется в 2-3 раза быстрее
Гостевые ОС типа Linux и Netware работают быстрее

Спецификации Virtual Server
Базовая система:
VS2005 Standard Edition: до 4 ЦП (1- или 2-ядерные),
VS2005 Enterprise Edition: до 32 ЦП (1- или 2-ядерные),
ОЗУ: до 64 Гб
Гостевая система:
ЦП: до 1, ОЗУ: до 3,6 Гб, Сетевые адаптеры: до 4, (неограниченная пропускная способность). USB: нет, поддерживаются USB-клавиатура и USB-мышь, можно также подключить USB-устройство для чтения смарт-карт.
Дополнительные возможности Server 2005 R2 SP1:
Поддержка Intel VT и AMD Virtualization, Поддержка 64-х разрядных базовых систем: Win2003 и WinXP. Поддержка теневого копирования томов (Volume Shadow Copy, VSS), Интеграция с Active Directory средствами Service Connection Points, Поддержка Vista как гостевой ОС, Утилита для монтирования VHD, Емкость по умолчанию VHD - 127 Гб (ранее – 16 Гб), Исправление Virtual SCSI для гостевых ОС Linux 2.6.x, Кластеризация VM, Передача VM при ее сбое в пределах того же хоста, Общий SCSI- (iSCSI-) диск для гостевых систем.

Virtual PC / Virtual Server
Win2003 или WinXP
Ядро
VMM.sys
Кольцо 0
Оборудование
Базовая система
Гостевая система (VM)
Кольцо 1
Кольцо 3
Windows в VM
VM Additions
Гостевые приложения
Кольцо 3
Служба Virtual Server
IIS
Веб-сайт
Виртуальное оборудование

Windows Virtualization
Поддержка виртуализации для Windows Server Windows Hypervisor (Гипервизор), кодовое имя - "Viridian“: «Тонкий» (~160 Кб) программный уровень, «внутренняя базовая ОС», Родительский раздел – управляет дочерними разделами, Дочерний раздел включает любое число ОС, управляемых родительским разделом.
Стек виртуализации: Работает в корневом (= родительском) разделе, Обеспечивает виртуализацию устройств, WMI-интерфейс для управления
Провайдеры служб виртуализации (Virtualization Service Providers, VSPs) Архитектура совместного использования оборудования, В гостевой ОС устанавливаются драйверы "viridian«.
Windows Virtualization Server требует x64-совместимого оборудования, ЦП с поддержкой Intel VT или AMD-V
Поддерживает: 32- и 64-разрядные гостевые ОС; до 8 ЦП на VM; горячее добавление» ЦП, ОЗУ, сетевых адаптеров, дисков; > 32 Гб ОЗУ на VM; возможность переноса VM без отключения; традиционную модель драйверов; использование существующих драйверов Windows; прежний же набор эмулируемого оборудования; Server Core в качестве родительской ОС

Windows Virtualization
Схемы VMM
Оборудование
Базовая ОС
VMM
Гостевая ОС 1
Гостевая ОС 2
Оборудование
VMM (Hypervisor)
Гостевая ОС 1
Гостевая ОС 2
Оборудование
VMM
Гостевая ОС 1
Гостевая ОС 2
Базовая ОС
VMM типа 2
Примеры:
- JVM
- .NET CLR
Примеры:
- Virtual PC
- Virtual Server
Примеры:
Виртуализация
Windows ("Viridian")
VMM типа 1
Hypervisor
Гибридный VMM

Windows Virtualization
Windows (Core)
Ядро
Windows Hypervisor
Кольцо 0
Оборудование
Родительский раздел
Дочерний раздел
Кольцо 3
Гостевые приложения
Кольцо "-1"
Windows
VMBus
Enlightment
Ядро
VSP
VSC
Стек виртуализации
Служба VM
WMI
Рабочий процесс VM
Драйверы

Версии продуктов
* Жизненный цикл этих продуктов близок к завершению
** На http://vpc.visualwin.com находится список из > 1200 (!) ОС, совместимых с Virtual PC и Virtual Server
В статье KB 867572 см. список ОС, поддерживаемых Virtual Server 2005 R2

Основные области применения:
Тестирование программного обеспечения и средств разработки ( тестирование создаваемых приложений, тестирование конфигураций и настроек готового программного обеспечения, а также действий администраторов серверов и сети с целью проверки работоспособности той или иной конфигурации серверного ПО перед началом ввода его в реальную эксплуатацию.
Хостинг унаследованных приложений. Зачастую наиболее удачные бизнес-приложения эксплуатируются десятилетиями, поэтому вполне может случиться так, что платформа, для которой они написаны, в компании уже практически не применяется из-за отсутствия нормальной технической поддержки со стороны производителей оборудования.
Консолидация загрузки серверов. Идея консолидации загрузки серверов заключается в создании виртуальных машин с разными операционными системами и программным обеспечением, реализующими выполнение указанных задач, и в размещении одного и того же набора этих виртуальных машин на нескольких физических серверах. Благодаря этому число самих серверов можно уменьшить, да и выход из строя одного из серверов не будет столь критичен для компании, поскольку его нагрузку может взять на себя виртуальная машина на каком-либо другом сервере.
Моделирование распределенных серверных приложений на одном физическом сервере. Данный способ применения серверных виртуальных машин предназначен для разработчиков, специалистов по тестированию и специалистов по внедрению приложений масштаба предприятия. С его помощью можно создавать распределенные приложения, тестировать их, а также моделировать реальные условия внедрения, используя для этой цели один-единственный компьютер, что позволяет сократить расходы на приобретение аппаратного обеспечения для разработки приложений.

Запуск VMM
Подготовка гостевой ОС к запуску
VMPTRLD VMLAUNCH
Работа гостевой ОС
VMON
Обработка возникшего в гостевой ОС или во внешнем мире события
Сохранение текущего состояния виртуальной машины или ее уничтожение
VMREAD VMWRITE
Настройка свойств виртуальной машины
Событие, требующее обработки, либо вызов
VMMCALL
VMRESUME
VMPTRST VMCLEAR
Остановка VMM
VMOFF
Схема работы Intel Virtualization Technology