Основные функции состав операционной системы. Операционная система: назначение и состав

Особое место среди программных средств всех типов занимают операционные системы, являясь ядром .

Операционная система (ОС) – это комплекс программ, обеспечивающих:

• управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера;
• управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными;
• пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд – операций по обработке информации.

ОС – операционная среда, среда обитания (для программ), имеет свои законы.

ОС – это набор программ, обеспечивающий возможность использования аппаратуры ПК, а также, обеспечивает совместное функционирование всех устройств ПК и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.

ОС является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения ПК

Операционная система – наиболее машиннозависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами или обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера.

ОС –набор программных инструментов, ко­торые дают возможность пользователю использовать возможности компьютера.

ОС – основной программный инструмент, «вдыхающий жизнь»в компьютер. Без нее компьютер просто не будет работать. ОС контролирует операции обмена с дисками, организует вывод информации на экран, «понимает» клавиатуру и т.п.

Задачи, реализуемые ОС

1 . Поддержка работы всех программ и организация их взаимодействия с устройствами ПК:

обеспечение эффективного выполнения операций ввода и вывода информации (связь с УВВ);

распределение памяти и организация хранения данных;

обеспечение взаимодействие программ и данных, а также взаимодействие программ друг с другом;

выявление различных событий, возникающих в процессе работы, и соответствующая реакция на них.

2. Предоставление пользователю возможности общего управления ПК:

определение интерфейса пользователя, т.е. создание удобной и комфортной среды общения человека с ПК;

обеспечение разделения аппаратных ресурсов между пользователями и задачами, планирование доступа пользователей к общим данным и предоставление возможности работы с ними в режиме коллективного пользования (работа в сетях).

Современные ОС обеспечивают:

1. дружественность, простоту и естественность интерфейса;
2. шифровку данных для защиты от несанкционированного доступа;
3. автоматическое распределение мощностей по обработке данных;
4. поддержку компьютерных сетей и средств оперативной обработки данных в режиме реального времени;
5. возможность использования отдельных ПК в качестве «интеллектуальных» терминалов мощных компьютерных сетей;
6. поддержку работы СУБД и других мощных прикладных программ;
7. возможность моделирования виртуальных машин, (когда пользователь работает как бы не с самой машиной, а с ее моделью. Для этого используются эмуляторы).

Состав ОС

В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром . В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как ОП и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ. Такие программы называют резидентными.

Ядро (резидентная часть ОС) – постоянно занимает раздел оперативной памяти. В ОП оно загружается с системного диска при включении компьютера. Эта процедура называется первоначальной загрузкой.

Ядро ОС обеспечивает базовые функции для окружающего программного обеспечения и допускает расширение обслуживающей части ОС.

Окружением ядра ОС являются утилиты, редакторы, компиляторы и другие программные средства, составляющие обслуживающую часть ОС.

Важной частью ОС является командный процессор – программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС.

Командный процессор – специальная программа, запрашивающая и выполняющая команды пользователя.

Выполняемые функции:

1. обеспечивает ввод команды и проводит ее анализ на правильность;
2. обеспечивает выполнение команды, если она была введена правильно, либо дает сообщение о возникшей конфликтной ситуации.

Кроме того, к операционной системе следует относить богатый набор утилит – обычно небольших программ, выполняющих различные обслуживающие функции.

Упрощенно структуру ОС можно представить в виде схемы

Файловая система BDOS – базовая дисковая операционная система, которая управляется с помощью специальных программных модулей. Основные функции : работа с файлами, распределение памяти, поддержка выполнения программ, загрузка в память данных, контроль за выполнением программ и т.п.

Драйверная система BIOS – базовая система ввода – вывода. Представляет собой набор специальных программ, называемых драйверами.

Как известно, ПК может иметь большой набор разнообразных внешних устройств. Каждое внешнее устройство характеризуется своей собственной пропускной способностью и структурой передаваемых/принимаемых данных. Именно по этому каждое внешнее устройство имеет свой собственный драйвер.

Драйверы устройств – специальные программы, обеспечивающие управление работой устройств и согласование информационного обмена. Также позволяющие производить настройку параметров устройств

Драйвер – управляющая программа, обслуживающая аппаратный модуль.

Драйверы наиболее часто используемых устройств (дисплея, клавиатуры, дисководов, а иногда и принтера) составляют главную часть BIOS.

Если BDOS является практически не изменой частью ОС для всех ПК, которые с ней работают, то BIOS может существенно варьироваться даже на одном и том же ПК в зависимости от типа переключаемой периферии.

Итак, структура операционной системы состоит:

Ядро – переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятный компьютеру (командный интерпритатор).
Драйверы – программы, управляющие устройствами.
Интерфейс – оболочка, с помощью которой пользователь общается с компьютером.

Загрузочные файлы ОС хранятся во внешней памяти. (гибкие, жесткие, оптические диски). Однако, любые программы, как и сама ОС могут быть выполнены только в оперативной памяти. Поэтому их нужно туда загрузить.

1. При включении ПК первой активизируется микросхема с BIOS (Basic Input / Output System ) базовая система ввода вывода . BIOS запускает программу POST, которая тестирует аппаратные средства ПК. Для установки даты и времени, а также для настройки работы железа, с помощью клавиши Del можно загрузить утилиту Setup .

После тестирования BIOS начинает поиск загрузчика ОС (Master Boot Record ), обращаясь поочередно к FDD, HDD, CD-ROM.

Найдя на системном диске программу — загрузчик она загружается в оперативную память и ей передается управление работой ПК.

Программа ищет файлы ОС на системном диске и загружает их в оперативную память в качестве программных модулей.
После окончания загрузки ОС передает управление командному процессору.

Принципы функционирования операционных систем

Понятие процесса играет ключевую роль и вводится применительно к каждой программе отдельного пользователя. Управление процессами (как целым, так и каждым в отдельности) – важнейшая функция ОС. При исполнении программ на центральном процессоре следует различать следующие характерные состояния:

• порождение – подготовку условий для исполнения процессором;
• активное состояние (или «Счет») – непосредственное исполнение процессором;
• ожидание – по причине занятости какого-либо требуемого ресурса;
• готовность – программа не исполняется, но все необходимые для исполнения программы ресурсы, кроме центрального процессора, предоставлены;
• окончание – нормальное или аварийное завершения исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Физические ресурсы – реальные устройства компьютера.

Средствами современных операционных систем могут создаваться и использоваться виртуальные (воображаемые) ресурсы, являющиеся моделями физических.

По значимости виртуальные ресурсы – одна из важнейших концепций построения современных ОС.

Виртуальный ресурс представляет собой модель некоего физического ресурса, создаваемую с помощью другого физического ресурса. Например, характерным представителем виртуального ресурса является оперативная память. Компьютеры, как правило, располагают ограниченной по объему ОП (физической). Функционально ее объем может быть увеличен путем частичной записи содержимого ОП на магнитный диск. Если этот процесс организован так, что пользователь воспринимает всю расширенную память как оперативную, то такая «оперативная» память называется виртуальной .

Виртуальная память – часть памяти, превышающая физический объем оперативной памяти, установленной в компьютере, и которую ОС эмулирует, используя пространство на жестком диске (файл подкачки). Программы, выполняющиеся под управлением Windows, воспринимают виртуальную память как оперативную.

Файл подкачки – постоянный или временный файл на жестком диске, который используется ОС для эмуляции оперативной памяти.

Наиболее законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины, являющееся исходной при программировании на языках высокого уровня, например, Паскале. Виртуальная машина есть идеализированная модель реальной машины, изолирующая пользователя от аппаратных особенностей конкретной ЭВМ, воспроизводящая архитектуру реальной машины, но обладающую улучшенными характеристиками:

• бесконечной по объему памятью с произвольно выбираемыми способами доступа к ее данным;
• одним (или несколькими) процессами, описываемыми на удобном для пользователя языке программирования;
• произвольным числом внешних устройств произвольной емкости и доступа.

Концепция прерываний выполнения программ является базовой при построении любой операционной системы.

Из всего многообразия причин прерываний необходимо выделить 2 вида: первого и второго рода. Системные причины прерываний первого рода возникают в том случае, когда у процесса, находящегося в активном состоянии, возникает потребность либо получить некоторый ресурс или отказаться от него, либо выполнить над ресурсом какие-либо действия. К этой группе относят и, так называемые, внутренние прерывания , связанные с работой процессора (например, арифметическое переполнение или исчезновение порядка в операциях с плавающей запятой). Системные причины прерывания второго рода обусловлены необходимостью проведения синхронизации между параллельными процессами.

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:

• восприятие запроса на прерывание;
• запоминание состояния прерванного процесса, определяемое значением счетчика команд и других регистров процессора;
• передача управления прерывающей программе, для чего в счетчик команд заносится адрес, соответствующий данному типу прерывания;
• обработка прерывания;
• восстановление прерванного процесса.

В большинстве ЭВМ первые три этапа реализуются аппаратными средствами, а остальные – блоком программ обработки прерываний операционной системы.

Классификация ОС

1. По количеству одновременно работающих пользователей:

• однопользовательские;

  (предназначены для обслуживания одного клиента)

• многопользовательские

  (рассчитаны на группу пользователей одновременно).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

2. По числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС:

• однозадачные ;
• многозадачные .

В многозадачном режиме каждой задаче (программе, приложению) поочередно выделяется какая-то доля процессорного времени. Поскольку процесс переключения идет очень быстро, а выделяемые задачам доли процессорного времени достаточно малы, то для пользователя создается впечатление одновременного выполнения нескольких задач.

Можно одновременно запустить на счет математическую систему, включить принтер для печати текста, запустить проигрыватель музыкальных произведений, вести поиск вирусов и рисовать в графическом редакторе или раскладывать пасьянс.

При многозадачном режиме:

• в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей;
• время работы процессора разделяется между программами, находящимися в оперативной памяти и готовыми к обслуживанию процессором;
• параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различными внешними устройствами.

Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность.

При работе ЭВМ важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Распределение процессорного времени между несколькими программами может осуществляться двумя способами.

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования вычислительных процессов . При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой процесс принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

• системы пакетной обработки;
• системы разделения времени;
• системы реального времени.

Системы пакетной обработки предназначаются для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью таких систем является решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели используется следующая схема функционирования.

В начале работы формируется пакет заданий (мультипрограммная смесь). В нем желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом информации. Выбор нового задания из пакета зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т.е. выбирается «выгодное» для ОС задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена ОС пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

ОС разделения времени позволяют исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может управлять вычислительным процессом. Т.к. каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно малым, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же ЭВМ, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

ОС разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, т.к. на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» ОС, и, кроме того, имеются накладные расходы на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность ЭВМ (скорость обработки информации), а удобство и эффективность работы отдельного пользователя.

Наиболее совершенны и сложны многопользовательские многозадачные операционные системы, которые предусматривают одновременное выполнение многих заданий многих пользователей, обеспечивают разделение ресурсов компьютера в соответствии с приоритетами пользователей и защиту данных каждого пользователя от несанкционированного доступа. В этом случае операционная система работает в режиме разделения времени , т.е. обслуживает многих пользователей, работающих каждый со своего терминала.

Суть режима разделения времени состоит в следующем. Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к исполнению, выделяется для исполнения фиксированный, задаваемый в соответствии с приоритетом пользователя интервал времени (интервал мультиплексирования). Если программа не выполнена до конца за этот интервал, ее исполнение принудительно прерывается, и программа переводится в конец очереди. Из начала очереди извлекается следующая программа, которая исполняется в течение соответствующего интервала мультиплексирования, затем поступает в конец очереди и т.д. в соответствии с циклическим алгоритмом. Если интервал мультиплексирования достаточно мал (~200 мс), а средняя длина очереди готовых к исполнению программ невелика (~10), то очередной квант времени выделяется программе каждые 2 с. В этих условиях ни один из пользователей практически не ощущает задержек, т.к. они сравнимы со временем реакции человека.

Приоритет (priority) – относительная важность или срочность.

Приоритет – это обладание преимуществом, т.е. требование повышенного внимания, которое может быть определено количественной величиной, учитываемой при определении порядка удовлетворения нескольких требований на доступ к одному ресурсу.

Назначать приоритеты – устанавливать порядок действий в соответствии со срочностью или важностью работы. В мультипрограммном режиме программам назначаются приоритеты так, что срочные работы не задерживаются вспомогательными задачами. Программные прерывания должны отрабатываться аналогично мультипрограммному режиму.

Одной из разновидностей режима разделения времени является фоновый режим , когда программа с более низким приоритетом работает на фоне программы с более высоким приоритетом. Работа в фоновом режиме реального времени аналогична работе секретаря руководителя. Секретарь занимается текущими делами до тех пор, пока начальник не дал срочное поручение.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами (конвейер, станок, робот, космический аппарат, научная экспериментальная установка, гальваническая линия, доменная печь, автомат для контроля качества выпускаемой продукции). Существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом. Система должна иметь гарантированное время реакции , т.е. задержка ответа не должна превышать определенного времени. В противном случае может произойти авария (спутник выйдет из зоны видимости; экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны; толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме; бракованные изделия попадут в приемник годной продукции).

Т.о., критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).

ЭВМ управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и информацию, непосредственно поступающую от объекта управления. Поскольку определяющим фактором являются реально поступающие от объекта управления данные, такой режим называют режимом реального времени , а его организация возлагается на специализированную операционную систему.

3. По количеству используемых процессоров:

• однопроцессорные;
• многопроцессорные.

4. По разрядности процессора:

• 8-разрядные;
• 16-разрядные;
• 32-разрядные;
• 64-разрядные.

Разрядность ОС – определяется количеством бит, используемых для адресации (в оперативной памяти, на дисках) , (разрядностью процессора вашего ПК).

У ОС Windows — 32-бит и 64-бит, дистрибутивы делятся на x32 и x64 соответственно, x86 — обозначение 32-х битной версии.

Посмотреть разрядность в системе:

ярлык”Мой компьютер“ →ПКМ → Свойства → Тип системы

5. По типу пользовательского интерфейса:

• командные (текстовые);
• объектно-ориентированные (графические) .

6.По типу использования общих аппаратных и программных ресурсов:

• сетевые;
• локальные.

Сетевые ОС предназначены для эффективного решения задач распределенной обработки данных. Такая обработка ведется не на отдельном компьютере, а на нескольких компьютерах, объединенных сетью. Сетевые ОС поддерживают распределенное выполнение процессов, их взаимодействие, обмен данными между ЭВМ, доступ пользователей к общим ресурсам и другие функции, которые превращают распределенную в пространстве систему в целостную многопользовательскую систему.

Все сетевые ОС делятся на две группы: одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами .

В одноранговых сетях каждая ЭВМ может выполнять как функции сервера, так и рабочей станции. В сетях с выделенными серверами функции расписаны более жестко: рабочие станции не предоставляют свои ресурсы для других ЭВМ, это возможно только для серверов.

Характеристики, определяющие выбор ОС:

• распространенность;
• наличие большого количества прикладных программных средств, работающих под ее управлением;
• простота освоения и взаимодействия с ней пользователей;
• легкость перехода с одной версии ОС на другую, более совершенную.

Примеры ОС

1. MS- DOS — предназначена для работы с 16- и 32-разрядными процессорами типа 80286, 80386, 80486 (Intel), 5×86 (AMD)- «дисковая ОС » (ДОС или DOS), термин сложился исторически и говорит только о том, что вся операционная система или ее основная часть расположены на внешнем носителе (винчестере, дискете или компакт-диске), откуда и должна происходить ее загрузка в оперативную память компьютера;
2. Windows 95/98/XP, Windows Vista, Windows 7, W indows NT/2000, OS/2 Warp 4.0 — ориентированы на работу с 32- и 64-разрядными процессорами типа Pentium;
3. UNIX — применяется для работы с 32- и 64-разрядными процессорами типа: Pentium (Intel), Alpha AXP (DEC), P6 и PowerPC (IBM и Motorola), R4300i (MIPS);
4. System ( MacOS) — предназначена для компьютеров Macintosh фирмы Apple;
5. Linux – клон Unix для работы на PC.
   Linux – свободно распространяемая версия ОС Unix для платформ х86, Motorola 68k, Digital Alpha, Sparc, Mips и Motorola PowerPC. В Linux не используется никаких частей программного обеспечения, принадлежащих каким-либо коммерческим организациям. По этой причине она получила достаточно широкое распространение.
   Первая версия ОС Linux была разработана в 1991 г. Т. Линусом (Финляндия), а затем в ее разработке участвовало большое количество людей из разных частей мира. Последние версии являются продуктами коллективного творчества большого числа программистов.

Функции

Основные функции:

• Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
в оперативную память и их выполнение.
• Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
• Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
• Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск , оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе .
• Обеспечение пользовательского интерфейса .
• Сохранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

• Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами .
• Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
• Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
• Взаимодействие между процессами : обмен данными, взаимная синхронизация.
• Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
• Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см.: аутентификация , авторизация).

Компоненты операционной системы:

• Командный процессор (интерпретатор)
• Драйверы устройств
• Интерфейс

Понятие

Существуют две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система.

Есть приложения вычислительной техники, для которых операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры , содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении. Многие простые игровые приставки - также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры - могут обходиться без операционной системы, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске .

Операционные системы нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция - тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);
• оператор должен иметь возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды - оболочка и наборы утилит - они могут являться частью операционной системы.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

• использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
• многопользовательские (с разделением полномочий),
• многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро , содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов . Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Ядро

Ядро - центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время , память и устройства ввода-вывода . Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра.

Как основополагающий элемент операционной системы, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) - в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора - «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») - синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).

Файловые системы и структуры

Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент , перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках).

Файловая система - способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

Существующие операционные системы

UNIX, стандартизация операционных систем и POSIX

Благодаря конкурентности реализаций архитектура UNIX стала вначале фактическим отраслевым стандартом, а затем обрела статус и стандарта юридического - ISO/IEC 9945 (POSIX).

Только системы, отвечающие спецификации Single UNIX Specification , имеют право носить имя UNIX. К таким системам относятся AIX , HP-UX , IRIX , Mac OS X , SCO OpenServer , Solaris , Tru64 и z/OS .

Операционные системы, следующие стандарту POSIX или опирающиеся на него, называют «POSIX-совместимыми» (чаще встречается словоупотребление «UNIX-подобные » или «семейство UNIX», но оно противоречит статусу торгового знака «UNIX», принадлежащего консорциуму The Open Group и зарезервированному для обозначения только операционных систем, строго следующих стандарту). Сертификация на совместимость со стандартом платная, из-за чего некоторые системы не проходили этот процесс, однако считаются POSIX-совместимыми по существу.

К UNIX-подобным относятся операционные системы, основанные на последней версии UNIX, выпущенной Bell Labs (System V), на разработках университета Беркли (FreeBSD , OpenBSD , NetBSD), на основе Solaris (OpenSolaris , BeleniX , Nexenta), а также Linux , разработанная в части утилит и библиотек проектом GNU и в части ядра - сообществом, возглавляемым Линусом Торвальдсом .

Стандартизация операционных систем преследует цель упрощения замены самой системы или оборудования при развитии вычислительной системы или сети и упрощении переноса прикладного программного обеспечения (строгое следование стандарту предполагает полную совместимость программ на уровне исходного текста; из-за профилирования стандарта и его развития некоторые изменения бывают всё же необходимы, но перенос программы между POSIX-совместимыми системами обходится на порядки дешевле, чем между альтернативными), а также преемственность опыта пользователей.

Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное разворачивание Интернета в 1990-х годах .

Пост-UNIX-архитектуры

Коллектив, создавший UNIX, развил концепцию унификации объектов операционной системы, включив в исходную концепцию UNIX «устройство - это тоже файл» также и процессы, и любые другие системные, сетевые и прикладные сервисы, создав новую концепцию: «что угодно - это файл». Эта концепция стала одним из основных принципов системы Plan 9 (название было позаимствовано из фантастического триллера «План 9 из открытого космоса » Эдварда Вуда-младшего), призванной преодолеть принципиальные недостатки дизайна UNIX и сменившей «рабочую лошадку» UNIX System V на компьютерах сети Bell Labs в 1992 году .

Кроме реализации всех объектов системы в виде файлов и размещения их на едином и персональном для каждого терминала вычислительной сети пространстве (namespace), были пересмотрены другие архитектурные решения UNIX. Например, в Plan 9 отсутствует понятие «суперпользователь», и, соответственно, исключаются любые нарушения режима безопасности, связанные с нелегальным получением прав суперпользователя в системе. Для представления (хранения, обмена) информации Роб Пайк и Кен Томпсон разработали универсальную кодировку UTF-8 , на сегодняшний день ставшую стандартом де-факто. Для доступа к файлам используется единый универсальный протокол 9P, по сети работающий поверх сетевого протокола (TCP или UDP). Таким образом, для прикладного ПО сети не существует - доступ к локальным и к удалённым файлам единообразен. 9P - байт-ориентированный протокол, в отличие от других подобных протоколов, являющихся блок-ориентированными. Это также результат работы концепции: доступ побайтно - к унифицированным файлам, а не поблочно - к разнообразным и сильно изменяющимися с развитием технологий устройствам. Для контроля доступа к объектам не требуется иных решений, кроме уже существующего в операционной системе контроля доступа к файлам. Новая концепция системы хранения избавила администратора системы от изнурительного труда по сопровождению архивов и предвосхитила современные системы управления версиями файлов.

Операционные системы, созданные на базе или идеях UNIX, такие как всё семейство BSD и системы GNU/Linux, постепенно перенимают новые идеи из Bell Labs. Возможно, эти новые идеи ждёт большое будущее и признание ИТ-разработчиков.

Новые концепции были использованы Робом Пайком в Inferno .

См. также

Примечания

Литература

• Гордеев А. В. Операционные системы: Учебник для вузов. - 2-е изд. - СПб. : Питер , 2007. - 416 с. - ISBN 978-5-94723-632-3
• Деннинг П. Дж., Браун Р. Л. Операционные системы // Современный компьютер. - М ., 1986.
• Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. - 2-е изд. - СПб. : BHV-СПб, 2007. - ISBN 978-5-94157-695-1
• Керниган Б. У. , Пайк Р. У. UNIX - универсальная среда программирования = The UNIX Programming Environment. - М ., 1992.
• Олифер В. Г., Олифер Н. А. Сетевые операционные системы. - СПб. : Питер , 2002. - 544 с. - ISBN 5-272-00120-6
• Столлингс У. Операционные системы = Operating Systems: Internals and Design Principles. - М .: Вильямс, 2004. - 848 с. - ISBN 0-1303-1999-6
• Таненбаум Э. С. Многоуровневая организация ЭВМ = Structured Computer Organization. - М .: Мир, 1979. - 547 с.
• Таненбаум Э. С. Современные операционные системы = Modern Operating Systems. - 2-е изд. - СПб. : Питер , 2005. - 1038 с. - ISBN 5-318-00299-4
• Таненбаум Э. С. , Вудхалл А. С. Операционные системы. Разработка и реализация = Operating Systems: Design and Implementation. - 3-е изд. - СПб. : Питер , 2007. - 704 с. - ISBN 978-5-469-01403-4
• Шоу А. Логическое проектирование операционных систем = The Logical Design of Operating Systems. - М .: Мир, 1981. - 360 с.
• Рэймонд Э. С. Искусство программирования для UNIX = The Art of UNIX Programming. - М .: Вильямс, 2005. - 544 с. - ISBN 5-8459-0791-8
• Mark G. Sobell. UNIX System V. A Practical Guide. - 3rd ed. - 1995.

Ссылки

• Операционная система в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz).
• Отставнов М. Е. Свободное программное обеспечение в школе . Свободное ПО для школы (2003).(недоступная ссылка - история ) Проверено 16 апреля 2010.

Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

Большинство ОС состоит из следующих основных модулей:

базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System);

загрузчик операционной системы;

• драйверы устройств;

  командный процессор;

  внешние команды (файлы).

Базовая система ввода-вывода (BIOS) – это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.

Первая функция BIOS – автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и / или выдается звуковой сигнал.

Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске (эта операция выполняется сразу по окончании тестирования). Загрузив в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.

Еще одна важная функция BIOS – обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы – это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро ОС реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

система управления памятью (размещает программы в памяти);

система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

система обработки ошибок;

служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

Драйверы – это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне. Они дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от аппаратуры и делают пользовательские программы независимыми от ее особенностей.

Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы; необходимость и порядок их загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает подключение к машине новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

Командный процессор – это программа, функции которой заключаются в следующем:

прием и синтаксический разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

исполнение внутренних команд операционной системы;

загрузка и исполнение внешних команд (реализованных в виде самостоятельных программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (файлы с расширением СОМ, ЕХЕ или ВАТ).

исполнение командных файлов (это текстовые файлы с набором команд и расширением ВАТ). Когда в качестве команды задается имя такого файла, командный процессор начинает последовательно читать и интерпретировать содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, осуществляющая вызов какой-то программы, выполнение командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения происходит выполнение следующей команды командного файла.

5.1. Для чего предназначена операционная система

Компьютер – это сложное устройство, состоящее из большого количества комплектующих. Сам он ничего не делает; чтобы заставить его работать, необходима программа, представляющая собой набор процессорных команд, – операционная система.

Главными составляющими ОС являются ядро, системные утилиты, драйверы и графическая оболочка. Каждый программный элемент выполняет свою функцию и следит, чтобы сохранялась стабильность работы операционной системы в целом.

Современные операционные системы являются многозадачными, то есть пользователь может запускать одновременно несколько приложений, наблюдая результат выполнения каждой из них. Это возможно благодаря конструкции ОС и функциональности современных процессоров – не зря операционные системы пишутся для процессора, а не наоборот. Современный процессор представляет собой не одноядерное, а двухъядерное и даже четырехъядерное решение, что увеличивает его производительность во много раз. Этим пользуется операционная система, оптимально распределяя ресурсы процессора между всеми запущенными процессами.

Главными характеристиками операционной системы являются стабильность ее работы и устойчивость к различным угрозам – внешним (вирусам) и внутренним (аппаратным сбоям и конфликтам). Сегодня выпускается два типа операционных систем – серверные и однопользовательские. Первые представляют собой серьезную программную реализацию, поскольку содержат механизмы, с помощью которых контролируются отношения и поддерживается локальная сеть. Вторые – облегченные, могут работать как автономно, так и в составе сети, подчиняясь ее правилам.