Тема 7. Основы операционных систем

7.1. Основные концепции операционных систем

Одной из составляющей информатики является — программное обеспечение (ПО), которое неоднородно и имеет сложную структуру, включающую несколько уровней: системный, служебный, инструментальный, прикладной.

На низшем уровне находятся комплексы программ, осуществля­ющих интерфейсные функции (посреднические между человеком и компьютером, аппаратным и программным обеспечением, между одновременно работающими программами) распределения раз­личных ресурсов компьютера. Программы этого уровня называются системными. Любые пользовательские программы запускаются под управлением комплексов программ, называемых операционными сис­темами.

Следующий уровень — это служебное программное обеспечение. Программы этого уровня называются утилитами, выполняют различ­ные вспомогательные функции. Это могут быть диагностические программы, используемые при обслуживании различных устройств (гибкого и жесткого диска), тестовые программы, представляющие комплекс программ технического обслуживания, архиваторы, анти­вирусы и т.п. Служебные программы, как правило, работают под управлением операционной системы (хотя могут и непосредственно обращаться к аппаратному обеспечению), поэтому они рассматрива­ются как более высокий уровень. В некоторых классификациях сис­темный и служебный уровни объединяются в один класс — систем­ного программного обеспечения.

Инструментальное программное обеспечение представляет комп­лексы программ для создания других программ. Процесс создания новых программ на языке машинных команд очень сложен и кро­потлив, поэтому он низкопроизводителен. На практике большин­ство программ составляется на формальных языках программирова­ния, которые более близки к математическому, следовательно, проще и производительней в работе, а перевод программ на язык машин­ных кодов осуществляет компьютер посредством инструментально­го программного обеспечения. Программы инструментального про­граммного обеспечения управляются системными программами, поэтому они относятся к более высокому уровню.

Прикладное программное обеспечение — самый большой по объе­му класс программ, это программы конечного пользователя. В мире существу­ет около шести тысяч различных профессий, тысячи различных ув­лечений и большинство из них в настоящее время имеет какие-либо свои прикладные программные продукты. Прикладное программное обеспечение также управляется системными программами и имеет более высокий уровень.

Обобщая сказанное, можно предложить следующую структуру программного обеспечения (рис. 7.1).

Рис.7.1. Классификация программного обеспечения

Предложенная классификация программного обеспечения является в большой мере условной, так как в настоящее время программные продукты многих фирм стали объединять в себе программные элементы из разных классов. Например, операционная система Windows, являясь комплексом системных программ, в своем составе содержит блок служебных программ (дефрагментация, проверка, очи­стка диска и др.), а также текстовый процессор WordPad, графичес­кий редактор Paint, которые принадлежат классу прикладных про­грамм.

Центральное место в структуре ПО занимает операционная система (ОС). Она представляет собой «систему программ, предназначенную для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователям набора услуг».

Операционная система (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий интерфейс с пользователем, управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации аппаратного обеспечения, предоставляя разработчикам программного обеспечения минимально необходимый набор функций. С точки зрения обывателей, обычных пользователей компьютерной техники, ОС включает в себя и программы пользовательского интерфейса.

Операционная система – программа, которая загружается при включении компьютера. Она осуществляет диалог с пользователем, управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках и т. д.), запускает другие прикладные программы на выполнение. Операционная система обеспечивает пользователю и прикладным программам удобный способ общения (интерфейс) с устройствами персонального компьютера.

Наиболее распространенные операционные системы: MS-DOS, OS/2, UNIX, WINDOWS, LINUX, WINDOWS NT, они имеют разные модификации.

Основные функции (простейшие ОС):

- загрузка приложений в оперативную память и их выполнение;

- 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 жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило с помощью файловой системы;

- пользовательский интерфейс;

- сетевые операции, поддержка стека протоколов

Дополнительные функции:

- параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);

- взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация;

- защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений;

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

Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляющая простой список файлов, которые можно читать и записывать, т.е., операционная сис­тема, не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и дру­гими низкоуровневыми элементами. В каждом случае процедура, предлагаемая ОС, намного проще и удобнее в обращении, чем те дей­ствия, которые требует выполнить основное оборудование.

С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию виртуаль­ной машины, с которой проще и легче работать, чем непосредствен­но с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компью­тер, а для программ ОС предоставляет ряд возможностей, которые они могут использовать с помощью специальных команд, называе­мых системными вызовами.

Концепция, рассматривающая ОС прежде всего как удобный интерфейс пользователя, — это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд снизу вверх дает представление об ОС как о механизме уп­равления всеми частями компьютера. Современные компьютеры со­стоят из процессоров, памяти, дисков, сетевого оборудования, прин­теров и огромного количества других устройств. В соответствии со вторым подходом работа ОС заключается в обеспечении организо­ванного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода/вывода между различными программами, состязаю­щимися за право их использовать.

Виды операционных систем.

История развития ОС насчитывает уже много лет. Операцион­ные системы появились и развивались в процессе совершенствова­ния аппаратного обеспечения компьютеров, поэтому эти события исторически тесно связаны. Развитие компьютеров привело к появ­лению огромного количества различных ОС, из которых далеко не все широко известны.

На самом верхнем уровне находятся ОС для мэйнфреймов. Эти огромные машины еще можно встретить в больших организациях. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода/вывода. Довольно часто встречаются мэйнфреймы с тысячью дисков и терабайтами данных. Мэйнфреймы высту­пают в виде мощных web-серверов и серверов крупных предприятий и корпораций. Операционные системы для мэйнфреймов в основ­ном ориентированы на обработку множества одновременных зада­ний, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они выполняют три вида операций: па­кетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. При пакетной обработке выполняются стандартные задания пользователей, работающих в интерактивном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количе­ством запросов, например бронирование авиабилетов. Каждый от­дельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни и тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разде­ления времени, позволяют множеству удаленных пользователей од­новременно выполнять свои задания на одной машине, например, работать с большой базой данных. Все эти функции тесно связа­ны между собой, и операционная система мэйнфрейма выполняет их все. Примером операционной системы для мэйнфрейма является OS/390.

Уровнем ниже находятся серверные ОС. Серверы представляют собой или многопроцессорные компьютеры, или даже мэйнфреймы. Эти ОС одновременно обслуживают множество пользователей и по­зволяют им делить между собой программно-аппаратные ресурсы. Серверы также предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Internet. У Internet-провайдеров обычно работают несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновре­менный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. UNIX и Windows 2000 являются типичными серверными ОС. Теперь для этой цели стала использоваться и операционная система Linux.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компью­теров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфей­са для одного пользователя. Такие системы широко используются в повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются операционные системы платформы Windows, Linux и операционная система компьютера Macintosh.

Еще один вид ОС — это системы реального времени. Главным па­раметром таких систем является время. Например, в системах управ­ления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и использу­ют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удов­летворять жестким временным требованиям. Если, например, по конвейеру передвигается автомобиль, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред изделию. Системы VxWorks и QNX яв­ляются операционными системами реального времени.

Встроенные операционные системы используются в карманных компьютерах и бытовой технике. Карманный компьютер — это маленький компьютер, помещающийся в кармане и выполняющий небольшой набор функций, например, телефонной книжки и блокно­та. Встроенные системы, управляющие работой устройств бытовой техники, не считаются компьютерами, но обладают теми же харак­теристиками, что и системы реального времени, и при этом имеют особые размер, память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких операционных систем являются PalmOS и Windows CE (Consumer Electronics — бытовая техника).

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержащих центральный процессор. На такие операцион­ные системы накладываются очень жесткие ограничения по мощно­сти процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции.