ОС как виртуальная машина
Для того чтобы успешно решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Более того, очень часто пользователь может не знать даже системы команд процессора. Пользователь-программист привык иметь дело с мощными высокоуровневыми функциями, которые ему предоставляет операционная система.
Так, например, при работе с диском программисту, пишущему приложение для работы под управлением ОС, или конечному пользователю ОС достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи, а затем в закрытии файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами. Если бы программист работал «непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов.
Операционная система избавляет программистов не только от необходимости напрямую работать с аппаратурой дискового накопителя, предоставляя им простой файловый интерфейс, но и берет на себя все другие рутинные операции, связанные с управлением другими аппаратными устройствами компьютера: физической памятью, таймерами, принтерами и т. д.
В результате реальная машина, способная выполнять только небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор гораздо более мощных функций. Виртуальная машина тоже управляется командами, но это уже команды другого, более высокого уровня: удалить файл с определенным именем, запустить на выполнение некоторую прикладную программу, повысить приоритет задачи, вывести текст из файла на печать. Таким образом, назначение ОС состоит в предоставлении пользователю/программисту некоторой расширенной виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальный компьютер или реальную сеть.
На сегодняшний день можно констатировать, что операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных 1 управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Можно попробовать перечислить основные функции операционных систем.
1. Прием от пользователя (или от оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.
2. Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.
3. Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.
4. Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).
5. Идентификация всех программ и данных.
6. Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений. Операционная система умеет выполнять очень большое количество системных функций (сервисов), которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API) этой операционной системы.
7. Обслуживание всех операций ввода-вывода.
8. QОбеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.
9. Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения.
10. Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.
11. Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.
12. Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.
13. Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.
· Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для операционных систем реального времени).
· Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.
· Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.
ОС как виртуальная машина
История ОС
Первые (1945-1955г.г.) компьютеры работали без операционных систем, как правило, на них работала одна программа.
Когда скорость выполнения программ и их количество стало увеличиваться, простои компьютера между запусками программ стали составлять значительное время. Появились первые системы пакетной обработки (1955-1965г.г.), которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.
Спулинг (spooling-подкачка) в то время задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.
В это время была разработана многопользовательская система MULTICS, которая должна была обеспечивать одновременную работу сотни пользователей.
В это время также стали бурно развиваться мини-компьютеры (первый был выпущен в 1961г.), на которые была перенесена система MULTICS. Эта работа в дальнейшем развилась в систему UNIX.
Появилось много разновидностей несовместимых UNIX, основные из них были System V и BSD. Чтобы было возможно писать программы, работающие в любой системе UNIX, был разработан стандарт POSIX. Стандарт POSIX определяет минимальный интерфейс системного вызова, который должны поддерживать системы UNUX.
В 1974г. был выпущен центральный процессор Intel 8080, для него была создана операционная система CP/M. В 1977г. она была переработана для других процессоров, например Z80.
В начале 80-х была разработана система MS-DOS, и стала основной системой для микрокомпьютеров.
С 1985 года выпустили Windows, в то время она была графической оболочкой к MS-DOS вплоть до 1995г., когда вышлаWindows 95.
Уже тогда было ясно, что DOS с ее ограничениями по памяти и по возможностям файловой системы не может воспользоваться вычислительной мощностью появляющихся компьютеров. Поэтому IBM и Microsoft начинали совместно разрабатывать операционную систему OS/2. Она должна была поддерживать вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс, виртуальную машину для выполнения DOS-приложений. Первая версия вышла 1987г.
В дальнейшем Microsoft отошла от разработки OS/2, и стала разрабатывать Windows NT. Первая версия вышла в 1993г.
В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных операционных систем.
Сетевая операционная система не имеет отличий от операционной системы однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам.
Распределенная операционная система, напротив, представляется пользователям простой системой, в которой пользователь не должен беспокоиться о том, где работают его программы или где расположены файлы, все это должно автоматически обрабатываться самой операционной системой.
В 1987г. была выпущена операционная система MINIX, она была построена на схеме микро ядра.
В 1991г. была выпущена LINUX, в отличии от микроядерной MINIX она стала монолитной.
Чуть позже вышла FreeBSD (основой для нее послужила BSD UNIX).
Назначение ОС
ОС как виртуальная машина
ОС предоставляет пользователю виртуальную машину, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.
Например, чтобы считать или записать информацию на дискету, надо:
o Запустить двигатель вращения дискеты
o Управлять шаговым двигателем перемещения головки
o Следить за индикатором присутствия дискеты
o Выбрать номер блока на диске
o Выбрать номер сектора на дорожке
Все эти функции берет на себя операционная система.
Виртуальные машины. Как сделать компьютер в компьютере
Содержание
Содержание
В одном обычном компьютере можно создать сразу несколько виртуальных, чтобы познакомиться с возможностями Linux или другими экзотическими ОС, запустить очень старую и сегодня неподдерживаемую программу, пройти заново игру детства на современном железе. Или же запустить Windows Vista внутри Windows 7 внутри Windows 8 внутри Windows 10. Просто потому, что захотелось.
Что такое виртуальные машины
Виртуальная машина — это эмулятор компьютера в самом широком смысле. Это почти как эмулятор игровой приставки или Android-устройства, только настраивается гораздо гибче.
Например, на эмуляторе Sony PlayStation не получится запустить игру под Nintendo GameBoy. А эмулятор DOSbox — это очень условный, специализированный виртуальный компьютер с эмуляцией определенного списка старого оборудования и со встроенной системой DOS, так что запустить там Windows 10 не получится.
Виртуальная машина же — это эмулятор персонального компьютера с практически любым железом. И на этот компьютер можно устанавливать любую операционную систему и программы, которые нужны.
Зачем нужны виртуальные машины
В деловых процессах виртуальные машины используются активно — там это нужно. Центры обработки данных, облачные вычисления, виртуальные серверы, разграничение доступа и все такое. На одном и том же железе может работать отдельный файловый архив, отдельный веб-сервер, отдельный сервер авторизации — и все на разных системах, полностью изолированных друг от друга. Но зачем нужна технология виртуальных машин обычному домашнему пользователю?
Вот простой пример: у вас есть компьютер и на нем, скорее всего, установлена операционная система Windows. Для изучения программирования вам требуется linux, но вы не хотите экспериментировать со своим компьютером, разбивать личный диск на несколько разделов и рисковать потерей данных. Виртуальная машина позволит работать в другой системе, при этом родная Windows никак не пострадает.
Или, например, есть очень важная и нужная программа, которая запускается только под WindowsXP конкретной версии и сборки. Причем эта программа откажется запускаться, если оперативной памяти больше 128 мегабайт. Можно отпилить часть микросхем от современного модуля на 16 гигабайт, но что-то вам подсказывает, что так делать не нужно. А вот виртуальная машина поможет запустить капризный софт, эмулируя компьютер с нужным объемом памяти.
А вот, допустим, игра двадцатилетней давности, которую вы нашли на антресолях и пытаетесь установить в приступе ностальгии. Игра отказывается верить в существование восьмиядерного процессора и вылетает с ошибкой «так не бывает». Виртуальная машина с нужными характеристиками поможет вспомнить былые времена и запустить игру.
Часто виртуальная машина используется в качестве «песочницы» — маленькой игровой площадки для программы, которая вызывает у вас подозрения. Чтобы не рисковать, вы запускаете сомнительную программу внутри виртуальной машины, а не на настоящем компьютере: софт честно делает свою работу, потом шифрует все файлы и требует денег, например. Но в виртуальной системе, в той самой «песочнице» не было никаких ценных данных, поэтому вы можете спокойно удалить виртуальную машину с наглой программой внутри. Здорово же!
Наконец, приверженцы техники Apple или убежденные Linux-пользователи тоже могут использовать виртуальную машину, чтобы запустить какой-то специфический софт, который работает только под Windows.
Как видите, даже для домашнего пользования виртуальные машины могут пригодиться. Поэтому разберемся с основными характеристиками и научимся создавать компьютер в компьютере.
Основные термины и их понимание
Гость (guest, гест, гостевая система, таргет) — это виртуальный компьютер, один или несколько, который запускается на хосте.
Хост — это основной компьютер, на котором запускаются виртуальные машины. Производительность хоста должна быть достаточной, чтобы тянуть и собственную систему, и гостевую. Для запуска одной виртуальной машины вполне достаточно возможностей любого современного компьютера. Но для нормальной работы нескольких систем одновременно лучше иметь не меньше шестнадцати гигабайт оперативной памяти, а образы компьютеров создавать на скоростном SSD-накопителе. По очевидным причинам, у вас не получится создать виртуальную машину с характеристиками выше, чем у самого хоста — если на основном компьютере всего 8 гигабайт оперативной памяти, то создать таргет с 16 ГБ не выйдет.
Гипервизор — специализированная программа для создания виртуальных машин и управления ими. Для домашнего пользования есть бесплатные программы-гипервизоры с минимальным количеством настроек и функций. В бизнес-сфере используются более продвинутые решения, а некоторые гипервизоры и вовсе устанавливаются вместо операционной системы, чтобы сразу несколько мощных компьютеров можно было объединить в большой виртуальный хост. Это называется «консолидация серверов». Дорогое удовольствие, как по затратам на железо, так и на гипервизор.
Образ — термин достаточно известный, обозначает файл с полной цифровой копией какого-либо носителя внутри. Обычно применяется в отношении оптических дисков, но в нашем случае в образе может храниться и дискета, и виртуальный жесткий диск.
Установка
Чтобы начать знакомство с виртуальной машиной потребуется установить гипервизор. Таковых существует множество: платных и не очень, для тонкой настройки всего и вся или базового «нажал — заработало». Virtualbox — один из наиболее популярных гипервизоров, потому что бесплатный, доступен под Windows, Mac OS и Linux, активно развивается и поддерживается сообществом разработчиков и энтузиастов. Скачать VirtualBox можно с официального сайта, но учтите, он на английском.
Начиная с шестой версии в VirtualBox убрали поддержку 32-битных хост-систем, но пятая версия до сих пор доступна для скачивания. В любом случае, можно скачать обе версии. Для более комфортной работы потребуется еще и набор расширений — ExtensionPack.
Устанавливается VirtualBox довольно просто, достаточно последовательно соглашаться со всеми предложениями. Перед установкой появится большое предупреждение о том, что компьютер будет отключен от сети, на время установки виртуальных сетевых карт — это нормально. А в ходе установки появится несколько подтверждающих окон — это устанавливается эмулятор USB, сетевых карт и других устройств.
Ну а после установки появится основное окно гипервизора на родном русском языке.
Первым же делом желательно установить пакет расширений — он добавляет поддержку USB 2.0, подключение по протоколу RDP, поддержку накопителей с NVMe и прочие полезные вещи. В стандартной установке все эти возможности отсутствуют из-за различных лицензий: сам гипервизор бесплатный во все стороны, а расширения бесплатны только для личного пользования и ознакомления.
Чтобы установить расширения достаточно запустить файл Extensionpack дабл-кликом, но делать это нужно после установки самого Virtualbox — потому что установщик расширений запускается внутри гипервизора.
Как работает виртуальная машина
Гипервизор создает файл образа жесткого диска, резервирует определенное количество оперативной памяти и занимает процессорное время — это необходимо для работы «контейнера», в котором будет работать виртуальная машина. Изнутри же «контейнер» выглядит как полноценный компьютер с жестким диском, оптическим приводом, дисководом, сетевой картой, видеоадаптером, звуковой картой и прочим оборудованием. Причем заменить видеокарту обычно нельзя — она эмулируется как встроенная в материнскую плату. А вот в оптический привод можно либо загрузить образ из файла, либо использовать существующий привод хоста.
Процессор виртуализируется как минимум одним ядром. Для старых систем лучше не использовать многоядерность — не поймут, испугаются и будут глючить. А новым больше двух ядер нужно выдавать только при реальной необходимости.
Подключенные к хосту USB-устройства можно пробросить внутрь виртуальной машины. Достаточно выбрать для конкретной машины нужный пункт из меню «Устройства — USB». При этом, например, флэшка исчезнет из списка накопителей в хост-системе и станет видна в виртуальной машине. Также можно поступить с любым другим USB-устройством, но не забудьте сначала установить Extensionpack, иначе скорость USB 1.1 вас огорчит.
Чтобы файлы на основной системе были доступны в виртуальной ОС можно воспользоваться общими папками: они монтируются как сетевые пути, но удобнее автоматически их монтировать как сетевой диск — он будет подключаться при загрузке системы. Подробности разберем на этапе настройки.
Создаем виртуальный компьютер
Создать новую виртуальную машину в VirtualBox поможет встроенный мастер настройки. Достаточно ввести название виртуального компьютера, а гипервизор на его основе попытается определить нужную операционную систему и выдаст рекомендуемые параметры. Если название слишком оригинальное, то потребуется указать тип гостевой операционной системы вручную.
Несмотря на то, что в списке поддерживаемых систем есть даже Windows 3.1, лучше всего виртуализируются относительно свежие системы, начиная хотя бы с Windows 2000. С win9x немного сложнее: сначала нужно загрузить DOS из образа дискеты, а уже потом запускать установщик — в те времена загрузочные CD не делали, потому что оптические носители только-только появлялись.
Следующим шагом будет выбор объема оперативной памяти и виртуального жесткого диска — если нет специальных требований, то автоматически предложенные значения можно не менять.
После создания виртуальной машины необходимо открыть ее настройки и подключить образ загрузочного компакт-диска на вкладке «носители». И теперь можно запускать виртуальный компьютер.
Установка системы у многих пользователей не вызовет лишних вопросов, поэтому подробно описывать этот процесс не будем. А последующая установка драйверов — другое дело. В VirtualBox есть специальный «диск с драйверами», который называется «Дополнения гостевой ОС» — его можно подключить через пункт меню.
Дополнения — это диск с драйверами, который загружается в виртуальный привод оптических дисков. В Windows-системах достаточно запустить файл autorun с диска, а под Linux — соответствующий скрипт. Главная выгода от установки гостевых драйверов — возможность произвольно менять размеры окна виртуальной машины, а разрешение экрана автоматически подстроится. А, ну и цвета станут повеселее: не 16 базовых, а 32 миллиона оттенков.
Настраиваем взаимодействие с хостом и сеть
Виртуальная машина с настройками «по умолчанию» получает доступ в интернет, но не имеет никакой связи с основным компьютером. А иногда эта связь нужна…
В настройках можно включить двусторонний буфер обмена. Он, правда, работает только с текстовой информацией, но упрощает ввод интернет-адресов и консольных команд. Для приема-передачи файлов можно настроить сетевые папки. Любая папка на хосте может быть подключена в виде сетевой папки в гостевой системе. Дополнительно можно выдать права гостевой системе на запись в эту папку и автоматически подключать папку в качестве диска при загрузке системы. Так, например, папка Downloads на хост-системе может быть доступна из гостевой системы через сетевое окружение по адресу //vboxsvr/Downloads или автоматически подключаться как сетевой диск.
Для экспериментов с Linux-системами и виртуальными серверами часто требуется доступ из хоста к веб-серверу, который запускается на гостевой ОС. Для этого нужно переключить режим сетевой карты с «NAT» на «виртуальный адаптер хоста» или же «Virtualbox Host-only Ethernet Adapter». В последнем случае у гостевой системы не будет личного доступа в интернет, но она сможет общаться с основным компьютером. Так, например, с хоста можно постучаться на файловый сервер, который работает на виртуальной машине.
В данном случае это специализированный linux-дистрибутив openmediavault для создания сетевого хранилища, который запущен в виртуальной машине с типом сетевого адаптера «только хост».
Проблемы с виртуализацией
Главная проблема — отсутствие вменяемой поддержки видеоадаптера и 3D-ускорения. На обычной хост-системе вы можете пользоваться новейшей видеокартой, но все ее преимущества в виртуальной машине будут недоступны. Впрочем, старые игры не особо требовательны к видео — в большинстве случаев справится и встроенный видеоадаптер процессора.
Второй момент — поддержка современного интернета старыми системами. Открыть любой сайт в системе, которая устарела лет на 10–20, может быть проблематично. Либо страница загрузится не полностью, либо не загрузится вовсе.
Виртуализируй это!
Виртуальные машины позволят вам изучить экзотические ОС на современном компьютере. Помимо множества современных Linux-дистрибутивов, это может быть:
Также можно установить старую версию Windows и попробовать покорить современный интернет. Во времена технологии Active Desktop в windows98 интернет был очень другим.
