Понятие об операционной системе

Особое место среди программных средств всех типов занимают операционные системы, являясь ядром программного обеспечения.

Операционная система (ОС) – комплекс программ, обеспечивающих

ü управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера;

ü управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными;

ü пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд – операций по обработке информации.

При включении питания компьютера в первую очередь в ОЗУ загружается операционная система, под управлением которой происходит проверка работоспособности и вся последующая работа ЭВМ. Завершается работа также под управлением ОС.

Системными называют программы, которые осуществляют организацию вычислительного процесса и управление ресурсами ЭВМ. ОС представляет собой комплекс взаимоувязанных и взаимодействующих системных программ.

Каждая системная программа выполняет свою определенную функцию. Так, системные программы – утилиты – предназначены для выполнения часто повторяющихся операций, например, форматирование магнитных дисков, дефрагментация дисков, архивация файлов, восстановление случайно удаленных файлов, поиск и удаление вирусов и т.д.

Драйверы – системные программы, обеспечивающие работу внешних устройств: принтеров, дисководов, дисплеев, клавиатуры и т.п. Слово «драйвер» происходит от английского слова driver – шофер, водитель.

При выполнении на ЭВМ различных программ пользователю приходится многократно выполнять типичные операции, которые одинаковы для многих прикладных и системных программ. К таким операциям, в частности, относятся: запись, поиск, считывание, копирование, перемещение и удаление файлов.

Так, чтобы считать файл с жесткого диска, необходимо найти в таблице размещения файлов (FAT) его описание, определить, где он находится на жестком диске (цилиндр, дорожку, сектор), подвести считывающую головку к нужной позиции, считать данные в определенное место ОЗУ.

ОС стремится создать пользователю наиболее комфортные условия при выполнении подобных типичных, часто повторяемых операций. Если говорить образно, то операционная система – это слуга, который заботится об удобствах своего хозяина-пользователя.

Операционные системы классифицируются по:

ü количеству одновременно работающих пользователей на однопользовательские и многопользовательскиеОС;

ü числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС, на однозадачные и многозадачные;

ü количеству используемых процессоров на однопроцессорные и многопроцессорные;

ü разрядности процессора на 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;

ü типу пользовательского интерфейса на командные (текстовые) и объектно - ориентированные (графические);

ü способу использования общих аппаратных и программных ресурсов на сетевые и локальные.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

В многозадачном режиме каждой задаче (программе, приложению) поочередно выделяется какая-то доля процессорного времени. Поскольку процесс переключения идет очень быстро, а выделяемые задачам доли процессорного времени достаточно малы, то для пользователя создается впечатление одновременного выполнения сразу нескольких задач.

Можно одновременно запустить на счет математическую систему, включить принтер для печати текста, запустить проигрыватель музыкальных произведений, вести поиск вирусов и рисовать в графическом редакторе или раскладывать пасьянс. Заметить замедление работы можно будет, пожалуй, лишь по «притормаживанию» воспроизведения видео- и аудиофайлов на компьютерах с «медлительными» процессорами.

Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность.

При работе ЭВМ важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Распределение процессорного времени между несколькими одновременно выполняемыми программами может осуществляться двумя способами.

При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс.

При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой процесс принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

ü системы пакетной обработки;

ü системы разделения времени;

ü системы реального времени.

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью систем пакетной обработки является 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 (мультипрограммная смесь). В мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом информации. Выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т. е. выбирается «выгодное» для ОС задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.

Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена ОС пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

ОС разделения времени позволяют исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может управлять вычислительным процессом. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно малым, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же ЭВМ, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Операционные системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» операционной системе, и, кроме того, имеются накладные расходы на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность ЭВМ (скорость обработки информации), а удобство и эффективность работы отдельного пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как конвейер, станок, робот, космический аппарат, научная экспериментальная установка, доменная печь, автомат для контроля качества выпускаемой продукции и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом. Говорят так: «Система должна иметь гарантированное время реакции, т.е. задержка ответа не должна превышать определенного времени». В противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме, бракованные изделия попадут в приемник годной продукции.

Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).

Наибольшую известность получили следующие ОС: MS-DOS, OS/2, Windows, UNIX и MacOS (для компьютеров Macintosh фирмы Apple).

В качестве примера однопользовательских однозадачных ОС можно назвать MS-DOS, однопользовательских многозадачных – OS/2, Windows. Операционная система UNIX является многопользовательской многозадачной ОС.

Современные ОС содержат множество системных программ и по этой причине часто занимают на диске больше места, чем прикладная программа, которая использует сервис, предоставляемый ОС.

Одна из первых ОС (СР/М) была предельной простой и компактной. Первая версия занимала всего 4 Кбайта. Компактность была весьма важна в условиях ограниченных объемов памяти первых персональных ЭВМ (ПЭВМ). Данная ОС использовалась для работы на 8-разрядных ПЭВМ.

Windows XP, выпущенная фирмой Microsoft в 2002 году, занимает 1, 2 Гбайта дискового пространства.

Операционная система MS-DOS является промышленным стандартом для 16-разрядных ЭВМ на основе микропроцессоров 8086...80486. Все программы MS-DOS хранятся на магнитных дисках, поэтому она называется дисковой операционной системой (Disk Operating System). Буквы MS являются сокращением названия фирмы-разработчика Microsoft. Было выпущено несколько модификаций этой ОС, поэтому можно говорить о целом семействе операционных систем MS-DOS.

MS-DOS является командной (текстовой) ОС. Это означает, что для выполнения необходимых операций следует набрать с помощью клавиатуры соответствующую команду. Такой ввод неудобен и приводит к возникновению большого числа ошибок.

Для облегчения работы с помощью дисковой операционной системы разработаны графические надстройки, которые называются операционными оболочками. Наибольшей популярностью в России пользуются Norton Commander, DOS Navigator и Volkov Commander.

Семейство операционных систем OS/2 (Operating System/2) позволяет организовать параллельную работу нескольких прикладных программ. Операционная система работает в режиме вытесняющей многозадачности. При этом система жестко выделяет определенное время для работы каждого приложения. Эта операционная система, разработанная фирмой IBM, являлась ближайшим конкурентом для ОС Windows, разработанной фирмой Microsoft.

Достоинством операционных систем семейства Windows является унифицированныйпользовательский интерфейс (оболочка), благодаря которому в различных программах сохраняются одинаковые принципы управления их работой. Эта ОС обеспечивает возможность выполнения одновременно нескольких задач.

Унификация пользовательского интерфейса (оболочки) программ, работающих под управлением этой ОС, значительно упрощает освоение новых программ. Назначение многих кнопок пользовательского интерфейса интуитивно понятно, благодаря выразительному графическому обозначению.

Безусловно, уровень сервиса операционных систем семейства OS/2 и Windows значительно выше уровня MS DOS. Однако за облегчение работы приходится платить большими затратами на аппаратное обеспечение: увеличивать объем ОЗУ, винчестера, повышать быстродействие процессора.

Главными отличительными чертами ОС UNIX является ее модульность, легкая переносимость на другие типы ЭВМ и обширный набор системных программ, которые позволяют создать благоприятную обстановку для системных программистов, т. е. для тех специалистов, основной задачей которых является разработка новых системных программ. Данная ОС органически сочетается с языком Си, на котором написана основная часть модулей. Операционная система UNIX давно побила все рекорды долголетия.

Система была разработана в 1969 г. и быстро завоевала большую популярность, особенно среди телефонных компаний, поскольку обеспечивала работу в сети в режиме диалога и в реальном масштабе времени.

К началу 1984 г. система UNIХ была уже инсталлирована (т.е. установлена) приблизительно на 100000 машин по всему миру, причем на машинах разных изготовителей с широким диапазоном вычислительных возможностей – от микропроцессоров до больших ЭВМ.

Популярность и успех системы UNIX объясняется несколькими причинами:

ü система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать, понимать, изменять и переносить на другие машины. Первый вариант операционной системы на языке Си имел на 20–40% больший объем и работал медленнее по сравнению с вариантом на языке Ассемблера, однако преимущества использования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки;

ü система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь может одновременно выполнять несколько процессов;

ü архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен процесс написания программ, работающих при различных конфигурациях аппаратных средств.

Сетевые операционные системы предназначены для эффективного решения задач распределенной обработки данных. Такая обработка ведется не на отдельном компьютере, а на нескольких компьютерах, объединенных сетью. Сетевые операционные системы поддерживают распределенное выполнение процессов, их взаимодействие, обмен данными между ЭВМ, доcтуп пользователей к общим ресурсам и другие функции, которые превращают распределенную в пространстве систему в целостную многопользовательскую систему.

Все сетевые операционные системы делятся на две группы: одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами.

В одноранговых сетях каждая ЭВМ может выполнять как функции сервера, так и рабочей станции, а в сетях с выделенными серверами роли расписаны более жестко: рабочие станции не предоставляют свои ресурсы для других ЭВМ. Услуги предоставляют только серверы.

Перечислим несколько популярных сетевых операционных систем.

До недавнего времени наиболее широко используемыми были различные версии операционной системы Netware, разработанные фирмой Novell. Фирма Novell была основана в 1983 г. и является крупнейшим в мире поставщиком сетевого программного обеспечения.

Фирма Microsoft выпустила несколько версий сетевых операционных систем: Windows NT, Windows 2000.

Центральное место среди сетевых операционных систем занимает UNIX. Большая популярность пришла к UNIX в 1983 г., когда появилась версия, имевшая сетевые средства ТСР/IР, что позволяло использовать эту систему для работы в глобальной сети ARPANET.

Классическая ОС UNIХ дала жизнь многочисленным своим потомкам, например LINUX.

LINUX– свободно распространяемая версия операционной системы UNIX. В LINUX не используется никаких частей программного обеспечения, принадлежащих каким-либо коммерческим организациям. По этой причине она получила достаточно широкое распространение.

Как и многое в мире бизнеса, развитие ОС идет в условиях острой конкуренции, и здесь можно выделить две наиболее мощные сетевыеОС: UNIX и Windows NT.