Операционная система ПК

Операционная система (OS – operatingsystem)представляет собой комплекс системных и служебных программ, обеспечивающих управление всеми ресурсами компьютера и подключенными к нему устройствами, запуск прикладных программ, их взаимодействие между собой и с аппаратными средствами, а также диалог компьютера с пользователем. Операционная система автоматизирует процесс решения задач пользователя и освобождает его от деталей взаимодействия с аппаратурой, обеспечивая комфортный интерфейс с компьютером.

В компьютерах используются операционные системы с различной архитектурой и функциональными возможностями. После включения компьютера первой загружается в оперативную память операционная система.

С 1990-х гг. наиболее распространенными ОС для ПК и серверов являются ОС семейства MicrosoftWindows и системы семейства UNIX, особенно GNU/Linux. ОС включает следующие основные модули:

· ядро, выполняющее перевод с программного языка на язык компьютера, т.е. в двоичные коды и называемое командным интерпретатором;

· драйверы для управления устройствами компьютера, библиотеки, которые используются ОС, и другие программы, входящие в ее состав. Драйверы для многих стандартных устройств компьютера формируют базовую систему ввода-вывода (BIOS), которая хранится в энергонезависимой флэш-памяти;

· интерфейсные модули для взаимодействия пользователя с компьютером. Сегодня основным является графический интерфейс, используемый практически любой ОС. Процессор командного языка обрабатывает команды, поступающие в операционную систему от пользователя;

· ОС компьютеров общего назначения, в отличие от специализированных, хранится на дисках, и при включении компьютера она загружается с диска в оперативную память специальной программой загрузки, хранящейся в базовой системе ввода – вывода.

Основными функциями операционной системы являются следующие:

· обеспечение взаимодействия с пользователем – пользовательский интерфейс;

· загрузка программ в оперативную память и управление процессом их выполнения;

· управление файловой системой и диспетчирование задач, выполняемых на компьютере;

· управление обменом информацией между различными устройствами компьютера, управление периферийными устройствами, распределение ресурсов компьютера, управление виртуальной памятью (распределение задач);

· стандартизированный доступ к периферийным устройствам ввода – вывода;

· установка и удаление программ.

Все ОС обеспечивают как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем.В пакетном режиме ОС автоматически исполняет заданную последовательность команд.

Суть диалогового режима состоит в том, что ОС находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS. Опираясь на эти аппаратные прерывания, ОС создает свой комплекс системных прерываний.

Способность ОС прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.

Операционные системы можно классифицировать по следующим признакам:

· В зависимости от особенностей алгоритма управления процессором операционные системы делятся на однозадачные и многозадачные,однопользовательские и многопользовательские, на однопроцессорные и многопроцессорные.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы делятся на два класса:

· однозадачные (например, MS DOS);

· многозадачные (OS/2, Unix, ОС семейства Windows).

Многозадачные ОС управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства (рис. 25).

Рис. 25Классификация многозадачных ОС

В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:

· системы пакетной обработки(OC EC)

· системы с разделением времени(Unix, Windows, Linux);

· системы реального времени(QNX, RT–11, Android – ОС РВ на основеLinux для мобильных устройств).

Системы пакетной обработки – без непосредственного доступа пользователя, а с предварительным сбором и формированием всего блока (пакета) программ, подлежащих выполнению.

Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработкиявляется максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммном множестве желательно одновременноеприсутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом–выводом.

Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутреннейситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается«выгодное» задание.

Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того илииного задания в течение определенного периода времени. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установленасистема пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдаетего диспетчеру–оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективностьработы пользователя.

Первые ОС были системами пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.

В системах с разделением времени каждой задаче выделяется небольшойквант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, ивремя ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то это предполагает параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы. Ясно, что подобныесистемы обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетнойобработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая«выгодна» системе. Критерием эффективности систем с разделением времени является не максимальная пропускная способность процессора, а эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

Системы реального времени(ОС РВ) применяются для управления различными техническими объектами(таким, как станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами(гальваническаялиния, доменный процесс и т. п.). Применяют ОС РВ и в банковском деле. Критерием эффективности для систем реального времени является их способностьвыдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программыи получением результата(управляющего воздействия). Это время называетсявременем реакции системы, а соответствующее свойство системы– реактивностью.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть– в режиме реального времени или в режиме разделениявремени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновымрежимом.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременноработающих пользователей ОС могут быть разделены на:

· однопользовательские(MS DOS, Windows 3.x, ранние версииOS/2);

· многопользовательские(Unix, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя отнесанкционированного доступа других пользователей. Не всякая многозадачнаясистема является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОСявляется однозадачной.

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС являетсяотсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки. В наши дни становиться общепринятым введение в ОС функций поддержкимногопроцессорной обработки данных.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализованаи использует все количество процессоров, разделяя их между системными иприкладными задачами.

Мы рассмотрели характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов– процессором.

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказываютаппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персональногокомпьютера.

Одним из важных признаков классификации ОС является поддержка сетевых возможностей. По этому признаку ОС делятся на сетевые и локальные.

Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютера, объединённых в сеть с целью совместимого использования данных. Они представляютмощное средство разграничения доступа к информации, ее целостности и сохранности, а также другие возможности использования сетевых ресурсов. Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. В сетевой ОС отдельной машины можно выделить несколько частей:

· средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между планированием и диспетчеризациейпроцессов, управление процессорами в многопроцессорных машинах, управление периферийными устройствами и другие функции управления ресурсамилокальных ОС;

· средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование– серверная часть ОС(сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; введение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных;

· управлениеочередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам;

· средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование– клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передаетсяв сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентскаячасть также осуществляет прием ответов от сервера и преобразования их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленныхзапросов не различимо;

· коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизациюсообщения, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т. п., т. е. является средством транспортировки сообщений.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в егоОС может отсутствовать либо клиентская, либо серверная часть.

Примерами сетевых ОС являются операционные системы семействаNetWare фирмыNovell (Novell – это крупнейшая фирма, которой принадлежит, согласно различным источникам, от65% до75% рынка сетевых операционных систем для локальных вычислительных сетей), ОС Windows NT фирмыMicrosoft, различные версии операционной системы UNIX.

По типу организации интерфейса ОС делятся на ОС:

· с командным интерфейсом– пользователь должен хорошо знатьфайловую систему и команды операционной системы и вводить их с клавиатуры в командную строку, имеющуюся на экране монитора(MS DOS, UNIX, Linux);

· с интерфейсом в виде графических меню– пользователь долженориентироваться в многочисленных меню и панелях инструментов и уметьвыбрать в этих меню нужные команды и файлы по условным графическимзначкам; интерфейс этого типа реализуется операционными системами сграфическим интерфейсом(Windows, начиная с 9x и выше).

Драйверы

C ПК могут сопрягаться разнообразные устройства: видеокарта, звуковаякарта, принтер, сканер, манипуляторы, дисководы, цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и т. д. Каждое из устройств имеет свой набор команд. Чтобы конкретная операционная система могла управлять конкретнымустройством, прибегают к помощи программ-«переводчиков», знающих с одной стороны язык команд конкретного устройства, а с другой – язык конкретной операционной системы, под управлением которой должно работать этоустройство.

Такая программа называется драйвером(driver) и поставляется вместе сустройством его производителем. Производители аппаратного ПО, как правило, также размещают драйверы, созданных ими устройств, на своихweb-сайтах.