Тема 3. Операционные системы: история, назначение, структура.

 

 

Тема 3. Операционные системы: история, назначение, структура.

1.     Основные понятия и определения ОС

2.     Виды операционных систем.

3.     Интерфейс операционной системы

 

1.     Основные понятия и определения ОС.

Система (греч. Systema - целое, составленное из частей; объединение) - совокупность взаимосвязанных, регулярно взаимодействующих объектов, образующих определенную целостность   для   выполнения   единой   цели,   каких либо функций и задач.

Компьютерная система состоит из устройств (внутренних и периферийных) и программ, которые, взаимодействуя, выполняют процессы обработки информации на одном или нескольких компьютерах. Может включать в себя различные подсистемы и входить в качестве подсистемы в более крупную систему. Часть программного обеспечения, отвечающая за готовность компьютерной системы к работе, образует в об- щей вычислительной системе операционную систему.

Операционная система (ОС) - комплекс программ, обеспечивающих функционирование компьютера и работу пользователя с ресурсами.

Без операционной системы доступ пользователя к аппаратуре и прикладным программам компьютера, а также обращение к нему по сети с другого компьютера был бы невозможен.

Ресурс - любой элемент, востребованный операционной системой, программой и пользователем: устройство в составе компьютера и сети (диск, принтер, память), а также системные программы, к которым обращаются прикладные программы. Термин употребляется в таких сочетаниях, как сетевые, информационные, аппаратные, системные ресурсы. Операционная система обеспечивает выполнение прикладных программ, распределение ресурсов компьютерной системы, ввод, вывод, сохранение данных, управление данными, предоставляет интерфейс (средство взаимодействия) с пользователем и другими компьютерами, выдает сообщения.

Ядро операционной системы - ее основная часть - загружается в оперативную память после включения компьютера на время работы и управляет всей операционной системой, памятью, выполнением прикладных программ, их взаимодействием с аппаратурой, определяет порядок и время работы различных программ с процессором, обрабатывает сбои аппаратуры и программ.

Другая часть операционной системы загружается в память по мере необходимости и выполняет задачи более высокого уровня — обеспечивает интерфейс пользователя с прикладными программами (англ. Application Program Interface, API).

Функции операционной системы:

•          обеспечение автоматической загрузки ядра ОС в оперативную память по программному коду в специальной (системной) области диска;

•          организация файловой системы для хранения данных на диске, обеспечение к ним доступа и возможности обработки;

•          загрузка программ в оперативную память и управление выполнением.

Большинство современных ОС многозадачные - управляют распределением ресурсов компьютера между несколькими приложениями (прикладными программами, задачами).

Операционная система и программы могут создавать в оперативной памяти буфер обмена.

Буфер - часть оперативной памяти, защищенная операционной системой, поскольку хранит копированный фрагмент, но некоторые программы могут накапливать в буфере несколько фрагментов.

Виртуальная память - области оперативной памяти и внешней памяти (на жестком диске), которые оперативная система создает, чтобы выполнять на компьютере несколь- ко больших программ, обрабатывать данных, имеющих боль- ший размер, чем емкость реально (физически) установлен- ной оперативной памяти.

Драйвер устройства - программа, позволяющая конкретному устройству, такому как модем, мышь, монитор, взаимодействовать с операционной системой. Операционная система позволяют себе «абстрагирование от аппаратного обеспечения» и управляет некоторым «виртуальным устройством», применяя стандартный набор команд. Именно драйвер переводит эти команды в понимаемые установленным устройством конкретного изготовителя.

Драйверы устройств, выпускаемых разными фирмами и включенных в список допустимого оборудования, содержатся на инсталляционном  компакт диске операционной системы.

 Инсталляция операционной системы сопровождается установкой и настройкой драйверов всех подключенных к компьютеру устройств или драйвера предлагается установить с компакт диска, прилагаемого к приобретаемому устройству.

В старых операционных системах пользователь должен был сам конфигурировать систему - указывать, какое устройство установлено, определять его настройки, правила работы с другими устройствами.

В современных операционных системах существует набор правил Plug and Play (англ. - включил и работай), позволяющих при установке автоматически обнаруживать устройства, распознавать и настраивать. Операционная система, обнаружив новый принтер или модем, сама устанавливает драйвер, обслуживающий работу устройства.

Компоненты операционной системы:

·       Загрузчик

·       Ядро

·       Командный процессор (интерпретатор)

·       БИОС

·       Драйверы устройств

·       Интерфейс.

Основные понятия ОС

• Системные вызовы

• Прерывания

• Исключительные ситуации

• Файлы

• Процессы, нити

• Системные вызовы

В любой операционной системе поддерживается некоторый механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться за услугами ядра ОС. Эти средства общения с ядром часто назывались экстракодами или системными макрокомандами. В ОС UNIX такие средства называются системными вызовами.

Системные вызовы (system calls) интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых процессы и файлы.

В большинстве операционных систем системный вызов осуществляется командой программного прерывания (INT).

2.     Виды операционных систем

С развитием аппаратного обеспечения компьютеров развивались и совершенствовались операционные системы. Существует огромное количество операционных систем, большинство из них неизвестны широкой публики.

·        Операционные системы для мэйнфреймов. Крупным бизнес корпорациям требуются эффективные и несложные центры обработки данных, способные повысить качество совместного использования информационно технических ресурсов и решать сложнейшие задачи. Мэйнфреймы и позволяют все это организовать, но для их управления требуются специальные операционные системы. Ярким примером могут послужить операционные системы z/OS v2.1 для мэйнфрейма IBM z13.

·        Серверные операционные системы.  Для управления серверами существуют свои операционные системы, обеспечивающие управление базами данных, службами каталогов, почтовыми серверами, Web-серверами, и т.п. Например такими операционными системами могут послужить Windows 2003 Server, Windows Server 2012, ROSA Enterprise Linux Server, FreeBSD 10.1.

·        Операционные системы для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении дружественного интерфейса пользователя и системы, они используются в повседневной работе. В основном для домашних персональных компьютеров используются следующие операционные системы основанных на платформе: Windows, Linux, для компьютеров фирмы Apple используется своя операционная система Mac OS.

·        Операционные системы для мобильных устройств. Разработаны специально для различных мобильных устройств таких как телефоны, смартфоны, планшеты, электронные книги и т.п. Лидерами в этой области являются Android и iOs.

·        Операционные системы для микроконтроллеров, систем реального времени, встроенные ОС. Область применения таких ОС довольна широка от средств автоматического управления станками до бытовой техники. Для примера можно привести операционные системы FreeRTOS 8.0.1, QNX 6.6, RTEMS 4.10.2.

На сегодняшний день количество операционных систем, достаточно велико и насчитывает порядка 200.

Операционные системы бывают:

Бесплатные и платные. Большая часть операционных систем — платные, например, MS Windows. Однако существуют и бесплатно распространяемые операционные системы, например Linux. Вы можете бесплатно получить Linux у того, кто уже обладает этой операционной системой, или скачать Linux из Интернета.

С текстовым интерфейсом, например MS DOS, и с графическим интерфейсом, например Windows и Linux.

Однозадачные и многозадачные. Однозадачные операционные системы, например MS DOS, могут работать только с одной программой. Многозадачные операционные системы, например Windows ХР, OS/2, UNIX, способны одновременно выполнять несколько программ на одном компьютере.

Однопользовательские и многопользовательские, отличающиеся по числу одновременно работающих пользователей. Многопользовательские операционные системы позволяют нескольким пользователям одновременно работать на одном и том же компьютере.

Главное отличие многопользовательских систем от однопользовательских состоит в наличии у каждого пользователя средств защиты информации от несанкционированного доступа других пользователей, работающих на этом компьютере. Чтобы начать работать, человек должен пройти регистрацию в системе: ввести свое учетное имя (account name) и пароль (password).

ОС	Число одновременно работающих пользователей и задач	Примечание
MS DOS	Однопользовательская, однозадачная	Поддерживает одну клавиатуру и позволяет работать в данный момент; только с одной задачей
OS/2	Однопользовательская, многозадачная	Обеспечивает одному пользователю параллельную работу с несколькими приложениями
UNIX	Многопользовательская, многозадачная	Позволяет на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям
Windows	Многопользовательская, многозадачная	Позволяет на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям

 

Операционная система разрабатывается под набор команд процессоров конкретного семейства. Для определения вычислительного устройства и операционной системы, на основе которых работает компьютер, применяется термин «платформа». Главным признаком компьютерной платформы является процессор, поскольку другие устройства, такие как материнская плата и память, стандартизованы или имеют непринципиальные отличия. Примеры операционных систем: Windows XP/2003, Windows 7/8, Linux для компьютеров с процессорами корпорации Intel и совместимыми с ними (имеющими аналогичный набор команд); операционная система MacOS для компьютера Apple Macintosh; операционная система Solaris для компьютеров компании Sun; опе- рационная система IBM   S/390   для   суперкомпьютеров. В мобильных устройствах используются операционные системы Android, iOS и др.

Самыми популярными операционными системами для персональных компьютеров являются версии Microsoft Windows, для которых разработано много прикладных программ. Графический интерфейс поддерживает многозадачный режим, управление виртуальной памятью, возможность подключать разнообразные периферийные устройства и работать в компьютерной сети.

Сетевая операционная система UNIX используется для очень широкого круга аппаратных платформ, практически для любых компьютеров разных производителей, от персональных и до мощных суперкомпьютеров. Это не только многозадачная операционная система, но и многопользовательская, позволяющая нескольким пользователям разделять вычислительные ресурсы компьютера, подключаясь через терминалы к суперкомпьютеру (мэйнфрейму).

Операционная система Linux для персональных компьютеров распространяется свободно (не все разновидности), экономична, поддерживает большинство свойств, присущих другим реализациям UNIX. В России разработана и сертифицирована для работы со всеми видами защищаемой информации, включая государственную тайну, операционная система Alt Linux.

 

3.     Интерфейс операционной системы

Операционная система персонального компьютера должна иметь дружественный интерфейс (удобный как средство общения), быть устойчивой к ошибкам пользователя и удобной для его работы за компьютером.

Интерфейс командной строки применялся до 1990-х гг. в операционной системе персональных компьютеров MS-DOS (англ. Microsoft Disk Operation System – дисковая операционная система). Взаимодействие с системой осуществлялось подачей команд с клавиатуры в виде алфавитно-цифровой последовательности в строку на экране. Операционная система преобразовывала такие команды в операции, выполняемые компьютером. Команды и имена файлов надо было помнить и точно вписывать. Персональный компьютер, хотя и стоял на столе, еще не мог использоваться непрограммистами.

В конце 1970-х гг. исследования компании Xerox показали, что удобной формой ввода и представления информации является наглядный и понятный язык картинок. Объекты (файлы, устройства, команды, программы) целесообразно представлять в виде легко угадываемых графических образов, манипуляции с которыми должны быть похожи на совершаемые людьми с аналогичными материальными объектами, опираться на естественность усвоения графической информации человеком. Впервые графический интерфейс применила компания Apple в операционной системе Macintosh. Затем компания Microsoft использовала его в операционных системах Windows.

Графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface, GUI) – графическая среда, организующая взаимодействие пользователя с вычислительной системой через визуальные элементы управления па экране: окна, списки, кнопки, гиперссылки, значки и др.

Операционная система обеспечивает следующие виды интерфейсов:

·       интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

·       интерфейс между программным и аппаратным обеспечением (программно-аппаратный интерфейс);

·       интерфейс между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

В настоящее время все операционные системы персональных компьютеров обеспечивают взаимодействие с пользователем с помощью графического интерфейса. Графический интерфейс применяется и в большинстве прикладных программ, что помогает даже начинающему пользователю освоить работу в среде операционной системы с файлами, запускать программы и т.д.