Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем. В большинстве вычислительных систем операционные системы являются основной частью системного программного обеспечения.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера - на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Она скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Основные функции операционных систем:

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, компакт-диск и т. д.), организованным в той или иной файловой системе.

Пользовательский интерфейс.

Сетевые операции, поддержка стека протоколов.

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

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.

Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами. В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

Однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

Однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

Многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти операционные системы очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

Наиболее распространенными операционными системами являются:

Mac OS – операционная система корпорации Apple.

OS/2 - операционная система фирмы IBM.

Windows - операционная система корпорации Microsoft.

Linux - общее название Unix-подобных операционных систем на основе одноимённого ядра и собранных для него библиотек и системных программ, разработанных в рамках проекта GNU.

Операционные системы: назначение и основные функции

Понятие Операционной системы

Операционная система (ОС) – комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных и программных частей компьютера между собой и взаимодействие пользователя и компьютера.

ОС обеспечивает целостное функционирование всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к аппаратным возможностям компьютера. Операционная система является базовой и необходимой составляющей ПО компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

Состав ОС

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС) - управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

т .е. переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятый компьютеру

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

т .е. запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т.д.

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

т .е. специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами. Любому устройству соответствует свой драйвер.

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером

т.е. такие программы позволяют обслуживать диски, выполнять операции с файлами, работать в компьютерных сетях и т.д.

Назначение Операционной системы

ОС предназначена для решения следующих задач:

обслуживания аппаратуры компьютера;

создания рабочей среды и интерфейса пользователя;

выполнения команд пользователя и программных инструкций;

организации ввода/вывода, хранения информации и

управления файлами и данными.

Согласно определению, все задачи, решаемые ОС, можно разбить на две группы:

предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной (т.е. реально не существующей) машины, с которой удобнее работать и которую легче программировать;

повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Функции Операционной системы

Основные функции:

Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

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.

Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

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.

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950-60-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Операционная система DOS

DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.)

С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. ОС DOS позволила успешно работать с ПК на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOSвыступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – так появились программы-оболочки.

Оболочка – это программа, которая запускается под управлением ОС и помогает пользователю работать с ОС. Программа-оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно искать, копировать, перемещать, удалять сортировать, изменять и запускать всего несколькими клавишами. Одна из самых распространенных – Norton Commander(NC). В графических оболочках Windows 3.1 и Windows 3.11 применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану, закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу.

В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может содержать не более 8 символов. Кроме того DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами.

Так как DOS была создана очень давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым сегодня к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры.

Операционная система MICROSOFT WINDOWS

Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой.

Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек:

Многозадачность;

Единый программный интерфейс;

Единый интерфейс пользователя;

Графический интерфейс пользователя;

Единый аппаратно-программный интерфейс.

На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера.

В MS Windows для хранения файлов используется файловая модификация FAT–VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов.

В ОС Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор «мышь», в MS DOS используется только клавиатура.

Также в MSWindowsприсутствует панель задач (Taskbar). Она делает нагляднвм механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями.

Рабочий стол Windows сконструирован так, чтобы максимально облегчить работу пользователя-новичка и в то же время предоставить максимальные возможности его настройки в соответствии с конкретными нуждами опытных пользователей.

Операционная система LINUX

Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows.

Будучи традиционной оперативной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя ПК скорость, Эффективность и гибкость UNIX, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста.

С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования.

Операционные системы UNI X

UNIX– группа переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

Первая система UNIX была разработана в 1969 г. в подразделении Bell Labs компании AT&T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем.

Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя:

использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;

широкое применение утилит, запускаемых в командной строке;

взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства - терминала;

представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия как файлов;

использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу.

UNIX- системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения. Также, в ходе разработкиUNIX- систем был создан язык Си.

ОС- это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.

К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессы, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Для решения задач управления ресурсами разные ОС использую различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС.

Итак, в число требований, предъявляемых сегодня к сетевым ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, переносимость и многоплатформенность, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность отказоустойчивость, безопасность и производительность.

Аннотация: Функции операционной системы. Структура операционной системы. Классификация операционных систем. Требования к операционным системам.

Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).

Рис. 1.1.

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение ( ПО , software ) и оборудование или аппаратное обеспечение ( hardware ). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО .

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа ( приложение , application ). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word ), графические редакторы ( Paint , Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel ), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server ), браузеры ( Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением ( application software ).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio .

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы , выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие ( архивирование ) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

• обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
• управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
• управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
• управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
• предоставление пользовательского интерфейса;
• обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
• организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) .

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур . В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

• монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
• микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
• гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [ ; ]. В говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 "Архитектура Windows"), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

• системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
• пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

• текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
• графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

1. По способу организации вычислений:
   • системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
   • системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
   • системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
2. По типу ядра:
   • системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
   • системы с микроядром (microkernel operating systems);
   • системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
3. По количеству одновременно решаемых задач:
   • однозадачные (single-tasking operating systems);
   • многозадачные (multitasking operating systems).
4. По количеству одновременно работающих пользователей:
   • однопользовательские (single-user operating systems);
   • многопользовательские (multi-user operating systems).
5. По количеству поддерживаемых процессоров:
   • однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
   • многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
6. По поддержке сети:
   • локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
   • сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
7. По роли в сетевом взаимодействии:
   • серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
   • клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
8. По типу лицензии:
   • открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
   • проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
9. По области применения:
   • операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
   • операционные системы серверов (server operating systems);
   • операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
   • операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
   • встроенные операционные системы (embedded operating systems);
   • операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

Требования к операционным системам

Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные :

• расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
• переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
• совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
• надежность – вероятность безотказной работы системы;
• производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

Резюме

В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию "операционная система".
2. Назовите примеры прикладного, инструментального и системного программного обеспечения.
3. Дайте определение понятий "системный вызов", "API", "драйвер", "ядро".
4. Какие виды ядер вы знаете? К каким видам относятся ядра известных вам операционных систем?
5. Чем ядро отличается от операционной системы?
6. Приведите несколько способов классификации операционных систем.
7. Назовите требования к современным операционным системам и объясните, что они означают.

Операционная система

Все многообразие программ, используемых на современном компьютере, называется программным обеспечением - ПО (software).

Программы, составляющие ПО, можно разделить на три группы: системное ПО, системы программирования, прикладное ПО. Ядром системного ПО является операционная система (ОС).

ОС - это неотъемлемая часть ПО, управляющая техническими средствами компьютера (hardware).. Операционная система - это программа, координирующая действия вычислительной машины; под ее управлением осуществляется выполнение программ.

Основные функции операционной системы:

• 1. Обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами (терминалами, принтерами, гибкими дисками, жесткими дисками и т.д.). Такой обмен данными называется "ввод/вывод данных".
• 2. Обеспечение системы организации и хранения файлов.
• 3. Загрузка программ в память и обеспечение их выполнения.
• 4. Организация диалога с пользователем.

ОС – это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

Состав операционной системы.

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС)- управляет работой программы и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по разному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Загрузка ОС. Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС). Известно, что для их выполнения программы - и, следовательно, файлы ОС - должны находится в оперативной памяти (ОЗУ). Однако, чтобы произвести запись ОС в ОЗУ, необходимо выполнить программу загрузку, которой сразу после включения компьютера в ОЗУ нет. Выход из этой ситуации состоит в последовательной, поэтапной загрузке ОС в оперативную память.

Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память, ROM-Read Only Memory - память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестирования блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они начинают выполнятся с первым импульсом тока при включении компьютера. На этом этапе процессор обращаются к диску и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы - загрузчика. Если эта программа обнаружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление.

Второй этап загрузки ОС. Программа - загрузчик, в свою очередь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление.

Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считывает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команды пользователя.

Заметим, что в оперативной памяти во время работы компьютера обязательно должны находится базовый модуль ОС и командный процессор. Следовательно, нет необходимости загружать в оперативную память все файлы ОС одновременно. Драйверы устройств и утилиты могут подгружаться в ОЗУ по мере необходимости, что позволяет уменьшать обязательный объем оперативной памяти, отводимый под системное программное обеспечение.

Первая задача ОС – организация связи, общения пользователя с компьютером в целом и его отдельными устройствами. Такое общение осуществляется с помощью команд, которые в том или ином виде человек сообщает операционной системе. В ранних вариантах операционных систем такие команды просто вводились с клавиатуры в специальную строку. В последующем были созданы программы – оболочки ОС, которые позволяют общаться не только с ОС не только текстовым языком команд, а с помощью меню (в том числе пиктографического) или манипуляций с графическими объектами.

Вторая задача ОС – организация взаимодействия всех блоков компьютера в процессе выполнения программы, которую назначил пользователь для решения задачи. В частности, ОС организует и следит за размещением в оперативной памяти и на диске нужных для работы программы данных, обеспечивает своевременное подключение устройств компьютера по требованию программы и т.п.

Третья задача ОС – обеспечение так называемых системных работ, которые бывает необходимо выполнить для пользователя. Сюда относится проверка, “лечение” и форматирование диска, удаление и восстановление файлов, организация файловой системы и т.п. Обычно такие работы осуществляются с помощью специальных программ, входящих в ОС и называемых утилитами.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны.

ОС обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.

Этот процесс называют загрузкой ОС.

В функции ОС входит:

• - осуществление диалога с пользователем;
• - ввод-вывод и управление данными;
• - планирование и организация процесса обработки программ;
• - распределение ресурсов (оперативной памяти, процессора, внешних устройств);
• - запуск программ на выполнение;
• - всевозможные вспомогательные операции обслуживания;
• - передача информации между различными внутренними устройствами;
• - программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, принтера и др.).

ОС можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера.

В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

• 1. однопользовательские однозадачные , которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;
• 2. однопользовательские однозадачные с фоновой печатью , которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную как правило, на вывод информации на печать.
• 3. однопользовательские многозадачные , которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач.
• 4. многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям.

ОС для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

• - программы управления вводом/выводом;
• - программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;
• - процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные ОС.

В каждой ОС имеется свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия:

• - обращаться к каталогу;
• - выполнять разметку внешних носителей;
• - запускать программы;
• - … и другие действия.

Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор ОС.

Важным классом системных программ являются драйверы устройств.

Для управления внешними устройствами компьютера используются специальные системные программы – драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввод-вывод (BIOS ), которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера.

Нередко к системным программам относят антивирусные средства, программы архивирования файлов и т.п.

Второй класс программ – это прикладные программы. Здесь нет единой точки зрения, какие именно программы относятся к этому классу. Обычно прикладной называют любую программу, позволяющую пользователю без программирования решать определенный класс задач

Операционная система блестяще справляется со своими обязанностями. На практике одно из основных преимуществ использования OS заключается в простоте ее понимания, несмотря на функциональную сложность (То есть система рассчитана на выполнение достаточно сложных функций).

Существуют несколько наиболее распространенных ОС.

Например, MS-DOS расшифровывается как дисковая операционная система. Разработчиком MS-DOS является Корпорация Microsoft.

Краткая история создания MS-DOS

Первой разработкой MS-DOS можно считать операционную систему для персональных ЭВМ, созданную фирмой Seattle Computer Products в 1980 г. В конце 1980 г. система, первоначально названная QDOS, была модифицирована и переименована в 86-DOS. Право на использование операционной системы 86-DOS было куплено Корпорацией Microsoft, заключившей контракт с фирмой IBM, обязуясь разработать операционную систему для новой модели персональных компьютеров, выпускаемых фирмой. Когда в конце 1981 г. новый компьютер IBM PC приобрел широкую популярность, его операционная система представляла собой модифицированную версию системы 86-DOS, названную PC-DOS, версия 1.0.

Вскоре после выпуска IBM-PC на рынке стали появляться персональные компьютеры "схожие с РС". Операционная система этих компьютеров называлась MS-DOS, версия 1.0. Корпорация Microsoft предоставила в распоряжение фирм, производящих эти машины, точную копию операционной системы PC-DOS - широко теперь применяемую MS-DOS.

С момента выпуска операционные системы PC-DOS и MS-DOS усовершенствовались параллельно и аналогичным образом. в 1982 году появились версии 1.1. Главным преимуществом новой версии была возможность использования двухсторонних дискет (версия 1.0 позволяла работать только с односторонними дискетами), а также возможность пересылки принтеровского вывода на другие устройства.

В 1983 году были разработаны версии 2.0. По сравнению с предыдущими они давали возможность использовать жесткий диск, обеспечивали усложненный иерархический каталог диска, включали встроенные устройства для дискет и систему управления файлами.

MS-DOS версии 3.0, выпущенная в 1984 году, предоставляла улучшенный вариант обслуживания жесткого диска и подсоединенных к компьютеру микрокомпьютеров. Последующие версии, включая 3.3 (появившуюся в 1987 году), развивались в том же направлении.

MS-DOS версии 5.0 предоставляет возможность использования памяти расположенной выше 1M.

В MS-DOS версии 6.0 расширены возможности использования памяти расположенной выше 1M, добавлена утилита оптимизации использования памяти Добавлено средство увеличения эффективного дискового пространства. В комплект поставки включены утилиты проверки и оптимизации жесткого диска.

Оболочки – это программы, созданные для упрощения работы со сложными программными системами, такими, например, как DOS . Они преобразуют неудобный командный пользовательский интерфейс в дружественный графический интерфейс или интерфейс типа “меню”. Оболочки предоставляют пользователю удобный доступ к файлам и обширные сервисные услуги.

Самая популярная у пользователей оболочка Norton Commander . Она обеспечивает:

• · создание, копирование, пересылку, переименование, удаление, поиск файлов, а также изменение их атрибутов;
• · отображение дерева каталогов и характеристик входящих в них файлов в форме, удобной для восприятия человека;
• · создание, обновление и распаковку архивов (групп сжатых файлов);
• · просмотр текстовых файлов;
• · редактирование текстовых файлов;
• · выполнение из ее среды практически всех команд DOS ;
• · запуск программ;
• · выдачу информации о ресурсах компьютера;
• · создание и удаление каталогов;
• · поддержку межкомпьютерной связи;
• · поддержку электронной почты.

В начале 90-х годов во всем мире огромную популярность приобрела графическая оболочка MS - Windows 3. x , преимущество которой состоит в том, что она облегчает использование компьютера, и ее графический интерфейс вместо набора сложных команд с клавиатуры позволяет выбирать их мышью из меню практически мгновенно. Операционная система Windows , работающая совместно с операционной системой DOS , реализует все режимы, необходимые для производительной работы пользователя, в том числе – многозадачный режим.

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

Операционная система - 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.

Такое определение операционной системы уже апеллирует к ее функциям, поэтому рассмотрим эти функции подробнее.

Операционные системы - наиболее машинно-зависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами или, как еще говорят, обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера.

В той мере, в какой это необходимо для понимания функций операционных систем, аппаратную часть компьютера можно представлять себе состоящей из следующих элементов:

• * центрального процессора, имеющего определенную архитектуру (структуру регистров, набор и форму представления команд, формат обрабатываемых данных и т.д.) и характеризующегося производительностью, т.е. количеством простейших операций, выполняемых в единицу времени, а также другими качествами;
• * оперативной памяти, характеризующейся емкостью (объемом) и скоростью обмена данными (прежде всего с центральным процессором);
• * периферийных устройств, среди которых имеются;
• * устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер и др.);
• * устройства вывода (дисплей, принтер, графопостроитель и др.);
• * внешние запоминающие устройства (дисководы для магнитных и оптических дисков, устройства для работы с лентами и др.);
• * мультимедийные устройства.

Все эти аппаратные устройства обобщенно называют ресурсами компьютера.

В сравнении с оперативной памятью внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченной емкостью. Так, емкость встроенного накопителя персональных компьютеров - винчестера - обычно в 50-100 раз больше объема оперативной памяти. Для других устройств - накопителей на гибких магнитных дисках и оптических дисках - используются сменные носители информации, однако время доступа к информации на внешних запоминающих устройствах значительно больше, чем к информации в оперативной памяти (в тысячи раз). Медленнее, чем центральный процессор, работают и устройства ввода - вывода.

За время существования компьютеров операционные системы претерпели значительную эволюцию. Так, первые операционные системы были однопользовательскими и однозадачными. Эффективность использования ресурсов компьютера в этом случае оказывалось невысокой из-за простоев всех, кроме одного работающего периферийного устройств компьютера. Например, при вводе данных простаивал центральный процессор, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.

По мере роста возможностей, производительности и изменениях в соотношении стоимости устройств компьютера положение стало нетерпимым, что привело к появлению многозадачных операционных систем, остававшихся однопользовательскими.

Такие операционные системы обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, параллельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполняющимися заданиями. Так, например, одно задание может выполнять ввод данных, другое - выполняться центральным процессором, третье - выводить данные, четвертое - стоять в очереди. Важнейшее техническое решение, обусловившее такие возможности, - появление у внешних устройств собственных процессоров (контроллеров).

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.

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, так как они сравнимы со временем реакции человека.

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. операционная компьютер процессор файл

Помимо рассмотренных режимов организации вычислительного процесса, все большее распространение получает схема, при которой 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.

Остановимся на некоторых понятиях, важных для понимания принципов функционирования всех операционных систем (ОС).

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 (рис. 1):

• * 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 завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Рис. 1.

Понятие "ресурс" применительно к вычислительной технике следует понимать как функциональный элемент вычислительной системы, который может быть выделен процессу на определенный промежуток времени. Наряду с физическими ресурсами - реальными устройствами ЭВМ - 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 оперативной памятью (физической). Функционально ее объем может быть увеличен путем частичной записи содержимого оперативной памяти на магнитный диск. Если этот процесс организован так, что пользователь воспринимает всю расширенную память как оперативную, то такая "оперативная" память называется виртуальной.

Наиболее законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины, являющееся исходным 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 два 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. 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 оперативная память 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. К резидентным относят также и программы-драйверы, управляющие работой периферийных устройств.

Важной частью ОС является командный процессор - программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС. Кроме того, к операционной системе следует относить богатый набор утилит - обычно небольших программ, обслуживающих различные устройства компьютера (например, утилита форматирования магнитных дисков, утилита восстановления необдуманно удаленных файлов и т.д.).

Основные функции:

• · Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• · Загрузка программ 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.
• · Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

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).