Операционная система

Операционная система - это комплекс взаимосвязанных системных программ, функциями которого является контроль использования и распределения ресурсов вычислительной системы и организация взаимодействия пользователя с компьютером.

Операционная система (ОС) играет роль связующего звена между аппаратурой компьютера и выполняемыми программами, а также пользователем.

Предшественником ОС следует считать служебные программы (такие, как загрузчики), 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.).

Важной особенностью многих ОС является способность их взаимодействия друг с другом, посредством сети, что позволяет компьютерам взаимодействовать друг с другом, как в рамках локальных вычислительных сетей (ЛВС), так и в глобальной сети Интернет.

Любая операционная система оперирует некоторыми сущностями, которые вместе со способами управления ими во многом характеризуют ее свойства. К таким сущностям могут относиться понятия процесса, объекта, файла и т.д. Каждая ОС имеет свой набор таких сущностей. К примеру, в ОС Windows к таким сущностям можно отнести понятие объекта, и уже через управление этой сущностью предоставляются все возможные функции.

Процесс. Управление процессами

Процесс - это некоторая сущность, которая присутствует практически во всех ОС, это программа, использующая множество ресурсов.

Синхронизация работы процессов иллюстрирует одну из функций ОС, заключающуюся в управлении функционированием процессов. Под управление процессами понимается:

1) Управление использованием времени  центрального процессора (ЦП). Это  ещё иногда называют планированием  ЦП, то есть управление тем, в  какой момент времени какая  из задач или какой из процессов  будет владеть активностью ЦП: на какой из процессов будет  работать ЦП.

2) Управление «подкачкой» и буфером  ввода. Процессором обрабатывается  несколько процессов, и перед  нами стоит задача освободить  реальную оперативную память для других задач. В этом случае возникает необходимость какие-то из обрабатываемых задач откачать на внешнее запоминающее устройство. Как более или менее выгодно организовать процесс откачки является одной из задач ОС.

3) Управление разделяемыми ресурсами. Имеется набор ресурсов, доступ  к которым в определенные моменты  времени организуется от имени  различных процессов. Одна из  функций, которая во многом определяет  свойства ОС, это функция, обеспечивающая  организацию взаимодействия процессов  и использования общих ресурсов.

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения операционных систем позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций (см. интерфейс программирования приложений).

В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).

Существуют две группы определений операционной системы:

1.«набор программ, управляющих  оборудованием»

2. «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;
• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами.

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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит. 
Для более полного понимания роли ОС рассмотрим основные составные компоненты любой вычислительной системы (Рис.1.1). Во-первых, это аппаратное обеспечение (в англоязычных странах принято называть словом hardware): процессор, память, монитор, дисковые устройства и т.д. Во-вторых, вычислительная система состоит из программного обеспечения. Все программное обеспечение принято делить на две части: прикладное и системное. К прикладному программному обеспечению, как правило, относятся разнообразные банковские и прочие бизнес-программы, игры, текстовые процессоры и т. п. Под системным программным обеспечением обычно понимают программы, способствующие функционированию и разработке прикладных программ.

 

Рис.1.1. Уровни (слои) вычислительной (микропроцессорной) системы

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п. 
С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами для персональных компьютеров и серверов являются ОС семейства Microsoft Windows, Mac OS, системы класса UNIX, и Unix‐подобные (особенно GNU/Linux).

Основные простейшие функции ОС:

• управление аппаратными средствами, обеспечение доступа к периферийным устройствам (устройствам ввода-вывода);
• управление оперативной памятью (распределение между процессами, программами, защита доступа, виртуальная память или swap (англ. swap), кэширование и т.п.);
• обеспечение файлового ввода-вывода, как правило с помощью файловой системы (в основном для обеспечения управления доступом к данным на энергонезависимых носителях, таких как «жёсткий» диск, компакт-диск и т. п.);
• загрузка приложений в оперативную память и их выполнение; 
  обеспечение пользовательского интерфейса от простейшей командной строки (некоторые сетевые ОС) до многофункциональных графических (Windows, MAC OS, KDE для UNIX подобных ОС); 
• обеспечение сетевого взаимодействия  (поддержка стека сетевых протоколов).

 
Более сложные функции:

• обеспечение параллельного или псевдопараллельного (если машина имеет только один процессор) выполнения задач (многозадачность);
• распределение ресурсов компьютера между задачами (процессами) и организация взаимодействия задач (процессов) друг с другом;
• защита системных ресурсов, данных и программ пользователя,исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ.;
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация);
• организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.

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

• ядро обеспечивает:

1. управление процессами, занимается планировкой задач  (планировщик); 

2. обработку прерываний; 
3. операции ввода/вывода, 
4. базовое управление памятью;

• системные библиотеки предоставляют приложениям интерфейс к функциям ядра на более абстрактном уровне и обеспечивают дополнительную функциональность;

• оболочка представляет пользовательский интерфейс — интерфейс командной строки или графический пользовательский интерфейс. В некоторых операционных системах (напр. UNIX) ядро и оболочка совершенно независимы и могут независимо заменяться. 
  

 

Рис. 1.2. Структура ОС

 
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. 
Стандарт, кроме этого, определяет способ адресации файлов в системе, локализацию (установки, касающиеся национально-специфических моментов, таких, как язык сообщений или формат даты и времени), совместимый набор символов, синтаксис регулярных выражений, структуру каталогов в файловой системе, формат командной строки и некоторые другие аспекты поведения ОС.

 
В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сетевые операционные системы

Структура сетевой операционной системы

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. В узком смысле сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.