Когда нужна операционная система

Существуют информационные системы, для которых ОС не нужны. Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. Тем не менее, некоторые микрокомпьютеры и игровые приставки всё же работают под управлением особых собственных ОС. В большинстве случаев, это UNIX-подобные системы (последнее особенно верно в отношении программируемого коммутационного оборудования: файрволов, маршрутизаторов).

Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:

§ вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

§ различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., 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, ОС 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, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);

§ наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы).

Таким образом, современные универсальные ОС можно охарактеризовать как:

- использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным);

- многопользовательские (с разделением полномочий);

- многозадачные (например, с разделением времени центрального процессора).

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

§ ядро, содержащее обработчик прерываний, планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием;

§ сетевую подсистему, файловую систему;

§ системные библиотеки и

§ оболочку с утилитами.

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

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

Цель и свойства операционной системы

Операционная система не может предоставить всего всем !

Важнейшая цель - предоставить пользователю возможность осуществлять решение вычислительных задач или задач по обработке данных.

Надежность. Система должна быть также надежна, как и аппаратура, на которой она работает. Она должна быть в состоянии производить определение и диагностирование ошибок, а также восстановление после большинства характерных ошибок, произошедших по вине пользователя. ОС должна защищать пользователей от их же собственных ошибок или, по крайней мере, минимизировать вред, который они могут оказать на все окружение.

Предсказуемость. Система должна отвечать на запросы пользователей предсказуемым образом. Время, необходимое для выполнения программ пользователя, не должно варьироваться слишком сильно. Результат выполнения команд пользователя должен быть одним и тем же вне зависимости от последовательности, в которой эти команды посылаются на исполнение (при соблюдении установленных в системе правил).

Защита. Система должна защищать выполняющие задачи пользователей от взаимного влияния друг на друга. Она должна минимизировать возможность порчи программ и данных одного пользователя другим пользователем. До некоторой степени система должна защищать как себя, так и пользователя от ошибок, сделанных пользователями.

Удобство. Система предлагается пользователям потому, что она немного облегчает их работу и освобождает от бремени задач по распределению и управлению ресурсами. Так как пользователь контактирует с ОС, она должна быть спроектирована с учетом основных факторов человеческой психологии

Эффективность. При распределении ресурсов система должна быть в достаточной степени эффективной. ОС должна максимально повысить использование системных ресурсов пользователями. Сама система не должна использовать большое количество ресурсов, так как эти ресурсы становятся недоступными для удовлетворения запросов пользователей

Общие системные услуги. Система обеспечивает пользователя именно тем обслуживанием, которое ему нужно. Пользователь не должен оказаться в невыгодном положении из-за того, что он не воспользовался дополнительными возможностями системных услуг, если они не подходящие для задачи. В то же время, если обслуживание системы не обеспечено возможностями, предоставляющими пользователю средства для выполнения необходимой ему работы, то такая система неприемлема

Гибкость. Системные операции могут настраиваться для согласования с поведением пользователя. Ресурсы могут быть увеличены (уменьшены) для того, чтобы улучшить эффективность и доступность

Расширяемость. В процессе эволюции к ОС могут добавляться новые средства. Так как пользователь нуждается в изменениях, никакое прикладное окружение не является статическим. Следовательно, для того чтобы оставаться жизнеспособным инструментом, должна изменяться также и ОС.

Ясность. Пользователь может оставаться в блаженном неведении относительно вещей, существующих ниже уровня интерфейсной системы. В то же время он должен иметь возможность узнать о системе столько, сколько он хочет. Большинство пользователей предпочитают золотую середину между этими крайностями

Ресурсы, находящиеся под управлением ОС.Основная причина существования ОС - задачи по распределению различных ресурсов и задачи по управлению этими ресурсами. Цель управления ресурсами - добиться эффективного использования ресурсов пользователями, а также для освобождения пользователей от бремени задач по оперированию ресурсами.

1. Процессорное время. Наиболее важный ресурс. Без его использования не могут быть время произведены никакие вычисления. Самая простая стратегия - дать возможность одному пользователю иметь доступ к машине до тех пор, пока не выполнится его задача.

2. Память. После процессорного времени - самый дефицитный ресурс. Основная стратегия - уменьшать пустые пространства памяти, возникающие из-за того, что различные программы имеют различные объемы и особенности.

3. Периферийные устройства.С большинством из периферийных устройств (ПУ) может одновременно работать только один пользователь. Для некоторых устройств общего назначения (принтеры) такая работа приводит к неэффективному их использованию. Для устройств с быстрым доступом существуют механизмы разделения. Например, для дисков - спулинг (системная программа параллельной печати).

4. Ресурсы мат. обеспечения. Это сервисные программы по управлению файлами, по обслуживанию ввода-вывода, программы планирования, утилиты и др. Наиболее известный метод, позволяющий пользователям иметь доступ к ресурсам, заключается в том, чтобы сделать все программы повторно входимыми (реентерабельными). Это намного лучше, чем иметь многочисленные копии.