Операционные системы, их назначение и разновидности. Виды операционных систем и их краткая характеристика

27.09.2019

Представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций.
- предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
- повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторыми критерием.
Операционная система (ОС) - это программа, которая предназначена для управления всеми физическими и логическими ресурсами компьютера и способная создавать интерфейс между пользователем и компьютером.
Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами.
Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:
1. Одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);
2. Одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);
3. Непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;
4. Несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети.
Примеры ОС: MS DOS, Windows 98/2000, Windows XP, Lunix и др.

Назначение операционных систем

Операционная система — это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого — организация взаимодействия пользователя с компьютером, управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования. Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности управления аппаратурой, образуя прослойку между ними, в результате чего люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является сложная задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами, и сложность эта порождается в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. Операционная система организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, кругового обслуживания и т. д.

Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, многооконный графический интерфейс пользователя, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты к операционным системам предъявляются не менее важные эксплуатационные требования:

· Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Поэтому операционные системы всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс;

· Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностъю;

· Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем, для которых наработана широкая номенклатура приложений. Некоторые из них пользуются широкой популярностью. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС;

· Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания;

· Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна как минимум иметь в своем составе средства определения легальности пользователей, предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, а так же обладать фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети;

· Производительность. Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет много факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе;
Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является система управления процессами. Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, назначает ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставляет ему необходимое количество процессорного времени. Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы и их синхронизация, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту, приостановление выполнения до наступления какого-либо события в системе.

Управление памятью

Функциями ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; защита памяти; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, и возвращение их в оперативную память, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные находятся в оперативной памяти.

Управление файлами и внешними устройствами

Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС — файловой системе. Операционная система создаёт виртуальный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла — простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы — каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого.
Защита данных и администрирование

Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС, заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы.

Основные классификации операционных систем

Операционные системы могут различаться особенностями реализаций внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, устройствами, памятью), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Существует несколько классификаций операционных систем, в которых выделяют определенные критерии, отражающие разные существенные характеристики систем, рассмотрим наиболее часто встречающиеся:

По назначению

1.Системы общего назначения.

Подразумевает ОС, предназначенные для решения широкого круга задач, включая запуск различных приложений, разработку и отладку программ, работу с сетью и мультимедиа.

2.Системы реального времени.

Предназначены для работы в контуре управления объектами.

Прочие специализированные системы.

Это различные ОС, ориентированные, прежде всего на эффективное решение определенного класса, с большим или меньшим ущербом для прочих задач

По характеру взаимодействия с пользователем

1.Пакетные ОС, обрабатывающие заранее подготовленные задания

2.Диалоговые ОС, выполняющие задания пользователя в интерактивном режиме

ОС с графическим интерфейсом

Встроенные ОС, не взаимодействующие с пользователем

По числу одновременного выполнения задач

1.Однозадачные ОС.

В таких систем ах в каждый момент времени может существовать не более чем один пользовательский процесс. Однако, одновременно с этим, могут работать системные процессы

Многозадачные ОС.

Они обеспечивают параллельное выполнение некоторых пользовательских процессов. Реализация многозадачности требует значительного усложнения алгоритмов и структур данных, используемых в системе.

По числу одновременных пользователей

1.Однопользовательские ОС.

Для них характерен полный пользовательский доступ к ресурсам. Подобные системы приемлемы в основном на изолированных компьютерах.

2.Многопользовательские ОС.

Их важной компонентой являются средства защиты данных и процессов каждого пользователя, основанные на понятии владельца ресурса и на точном указании прав доступа, предоставленных каждому пользователю системы.

По аппаратурной основе

1.Однопроцессорные ОС.

2.Многопроцессорные ОС.

В задачи такой системы входит эффективное распределение выполняемых заданий по процессорам и организация согласованной работы всех процессоров.

3.Сетевые ОС.

Они включают возможность доступа к другим компьютерам локальной сети, работы с файловыми и другими серверами.

4.Распределенные ОС.

Распределенная система, используя ресурсы локальной сети, представляет их пользователю как единую систему, не разделенную на отдельные машины.

По способу построения

1.Микроядерные

2.Монолитные

Классификация операционных систем по семействам

Представление о том, что такое операционная система, менялось со временем. Первые компьютеры использовались только для решения математических задач, а программами служили написанные в машинных кодах вычислительные алгоритмы. Программисту при кодировании программ приходилось самостоятельно управлять компьютером и обеспечивать выполнение своей программы. Со временем для облегчения процесса написания программ был создан набор служебных программ. С развитием электроники аппаратура совершенствовалась и появилась возможность одновременного выполнения нескольких программ, в связи с этим были созданы алгоритмы переключения заданий. Набор подпрограмм, обеспечивающих переключение, назывался монитором или супервизором. Однако, возникла проблема прерывания работы программ, содержащих ошибки и потребляющих ресурсы компьютера (например, постоянно занимающих процессор или ошибочно записывающих результаты своей работы в оперативную память, где размещаются другие программы). Выход был найден в создании специальных аппаратных механизмов, защищающих память программ от случайного доступа со стороны других программ. Поскольку управление этими механизмами уже нельзя было включать в сами программы, к монитору была добавлена специальная программа, управляющая защитой памяти. Так был создан резидентный монитор. Последовательное решение подобных проблем было направлено на создание универсальной ЭВМ, способной решать одновременно разнообразные задачи.

Резидентный монитор – это уже зачатки операционной системы. Прикладные программы стали содержать только реализацию своего алгоритма и обращение за вспомогательными алгоритмами к монитору, при этом использовался специальный набор правил, называемый прикладным программным интерфейсом. Прикладной программный интерфейс позволил создавать абстрактные понятия. Появились понятия файла и файловой системы. В дальнейшем, к резидентному монитору было добавлено много других программ, в частности, облегчающих выполнение таких операций как копирование файлов, редактирование текстов, компиляции программ с языка программирования в машинный код и другие. Термин « резидентный монитор» трансформировался в ядро операционной системы.

Запуск компьютера. BIOS.

Обычно компьютер запускается при включении питания на лицевой панели системного блока, хотя современные компьютеры имеют такие средства для экономного расходования электроэнергии, которые позволяют их не выключать. Запуск компьютера – самый ответственный момент работы компьютера – в этот момент в оперативной памяти нет ни данных, ни программ. Перенести их с жесткого диска в оперативную память без команд нельзя. Для этой цели у процессора есть специальная ножка, которая называется RESET (перезапуск). Если на нее поступает сигнал (а в момент включения именно так и происходит), процессор обращается к специально выделенной ячейке памяти. Необходимо, чтобы в этой ячейке всегда была определенная информация, причем даже тогда, когда компьютер выключен. Для этого предназначена специальная микросхема – ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Это тоже память, но постоянная. В отличие от оперативной памяти постоянная память не стирается при выключении. Программы микросхемы ПЗУ записываются на заводе. Этот комплекс программ называется BIOS – базовая система ввода/вывода. Эта система « встроена» в материнскую плату компьютера. Ее назначение состоит в выполнении элементарных действий, связанных с осуществлением операций ввода-вывода. BIOS содержит также тест функционирования компьютера, проверяющий работу памяти и устройств компьютера при включении электропитания. Работа программ, записанных в микросхеме BIOS, отображается на черном экране бегущими белыми строчками. В этот момент компьютер проверяет свои устройства: проверяется оперативная память (сколько ее и вся ли она в порядке), наличие жестких дисков, а также наличие клавиатуры. Если что-то не работает, программы, выполняющие проверку, сообщат о неисправности. Кроме того, базовая система ввода-вывода содержит программу вызова загрузчика операционной системы.

Загрузчик операционной системы– это специальная программа, предназначенная для инициирования процесса загрузки системы.

После загрузки операционной системы вся работа с процессором и другими устройствами осуществляется посредством специальных пакетов программ, входящих в операционную систему.

Если по каким-то причинам загрузка операционной системы с жесткого диска не состоится, то работа с компьютером невозможна. Такое бывает, если, например, поврежден жесткий диск или операционная система. В этом случае операционную систему можно загрузить с внешнего носителя информации. Для этого нужен специальный диск, который называют системным. Таким методом запускают компьютер при устранении неисправностей.

Назначение операционной системы.

Компьютеры не всегда нуждались в операционной системе. Если компьютер мог включаться, начинать работать и воспринимать команды человека без операционной системы, то в ней не было никакой необходимости. Примерами таких « компьютеров» могут быть игровые приставки. У них тоже есть процессор, оперативная память, в которой находится программа во время работы, есть устройства ввода информации (например, джойстик), но операционной системы нет или она совсем примитивна.

Игровые программы для приставок (и данные к ним, такие как музыка и рисунки) записаны в микросхеме ПЗУ (она находится в игровом картридже) или на лазерном диске. Когда картридж (или лазерный диск) вставляется в приставку, программа автоматически запускается и никакого управления, кроме того, которое положено по сценарию игры, не предполагается, поэтому и никакая операционная система не нужна. На приставку можно посмотреть и с другой стороны. Загружая игру, попадают под управление как бы ее игровой « операционной системы» и можно делать только то, что в игре предусмотрено, например, «бегать», «прыгать» и «стрелять». Ограниченность и нестандартность не позволяют назвать видеоигру «операционной системой» без кавычек. Настоящая операционная система должна:

– быть общепризнанной и использоваться как стандартная система на многих компьютерах;

– работать с многочисленными аппаратными устройствами, выпущенными разными фирмами, в том числе и в прошлое время;

– обеспечивать возможность запуска самых разных программ, написанных разными людьми и выпущенных разными организациями;

– предоставлять средства для проверки, настройки, обслуживания компьютера, его устройств и программ, которые на нем установлены.

Интерфейс аппаратный и программный.

В компьютерной системе два участника – программное и аппаратное обеспечение. Программное обеспечение – это все программы, установленные на компьютере, а аппаратное обеспечение – узлы и оборудование, которые находятся внутри системного блока или подключены снаружи.

Взаимосвязь между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Взаимодействие между различными узлами – это аппаратный интерфейс, взаимодействие между программами – программный интерфейс, а взаимодействие между аппаратурой и программами – аппаратно-программный интерфейс.

В компьютере аппаратный интерфейс обеспечивают изготовители оборудования. Они следят за тем, чтобы все узлы имели одинаковые разъемы и работали с одинаковыми напряжениями. Согласование между программным и аппаратным обеспечением выполняет операционная система.

Интерфейс пользователя.

Если речь идет о персональном компьютере, то можно указать и третьего участника работы с компьютерной системой – это человек (его принято называть пользователем). Пользователю тоже надо взаимодействовать с аппаратным и программным обеспечением.

Существуют различные программы и с каждой надо работать по-разному. Одни программы рассчитаны на работу с клавиатурой, другие – на работу с мышью, прочие на работу с джойстиком или другими устройствами управления. Одни программы свои сообщения выдают в виде текстов на экране, другие – в виде графики, прочие могут вообще не пользоваться экраном и выдавать сообщения в виде речи или звуков. Способ взаимодействия человека с программой и программы с человеком называют интерфейсом пользователя. Если программа сделана так, что с ней работать удобно, говорят, что она имеет удобный интерфейс пользователя. Если техника работы с программой понятна сразу, без необходимости изучать инструкции, говорят, что она имеет интуитивно понятный интерфейс. Понятие развитый интерфейс пользователя предполагает, что у программы большие возможности, но учиться работать с ней непросто. Гибкий интерфейс означает, что с программой можно работать многими разными способами. Понятие жесткий интерфейс означает, что возможна только такая работа, которая предусмотрена инструкцией, и никакая другая. Понятие примитивный интерфейс означает, что интерфейс прост для изучения, но неудобен для работы.

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА DOS

DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.)

С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. Операционная система DOS позволила успешно работать с персональными компьютерами на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOS выступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – тогда появились так называемые программы-оболочки.

Оболочка – это программа, которая запускается под управлением операционной системы и помогает пользователю работать с операционной системой. Программа – оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно разыскивать, копировать, перемещать, удалять, сортировать, изменять и запускать, пользуясь всего лишь несколькими клавишами. Просто, наглядно, удобно. Одна из самых известных и распространенных во все мире программ-оболочек называется Norton Commander (NC). Оболочка NC скрывает от пользователя множество неудобств, возникающих при работе с файловой системой MS DOS, например, такие, как необходимость набирать команды из командной строки. Простота и удобство в использовании– вот что делает оболочки типа NC популярными и в наше время (к ним можно отнести QDos, PathMinder, XTree, Dos Navigator, Volkov Commander и др.). Принципиально отличаются от них графические оболочки Windows 3.1 и Windows 3.11. В них применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану и закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу.

В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются жесткие ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может состоять не более чем из восьми символов. Расширение указывается после точки и состоит не более чем из трех символов. Расширение в имени файла не является обязательным, оно добавляется для удобства, так как расширение позволяет узнать, какая программа создала его и тип содержимого файла. DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами. Кроме букв и цифр имя и расширение файла могут состоять из следующих символов: -, _, $, #, &, @, !, %, (,), {, }, ", ^. Примеры имен файлов в MS DOS: doom.exe, referat.doc.

Так как DOS была создана довольно давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры. В файловой системе используются только короткие имена файлов, плохо поддерживаются разные устройства типа звуковых карт, видео-ускорителей и т.д.

В DOS не реализована мультизадачность, т.е. она не может естественным образом выполнять несколько задач (работающих программ) одновременно. У DOS нет никаких средств контроля и защиты от несанкционированных действий программ и пользователя, что привело к появлению огромного количества так называемых вирусов.

Некоторые компоненты операционной системы DOS: дисковые файлы IO.SYS и MSDOS.SYS (они могут называться и по-другому, например IBMBIO.COM и IBMDOS.COM для PC DOS) помещаются в оперативную память при загрузке и остаются в ней постоянно. Файл IO.SYS представляет собой дополнение к базовой системе ввода-вывода, а MSDOS.SYS реализует основные высокоуровневые услуги операционной системы.

Командный процессор DOS обрабатывает команды, вводимые пользователем. Командный процессор находится в дисковом файле COMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система. Некоторые команды пользователя, например type, dir или copy, командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними или встроенными. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и, если находит ее, загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о готовности к выполнению команд (приглашение DOS).

Внешние команды DOS – это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов. Эти программы выполняют действия обслуживающего характера, например форматирование дискет (format.com), проверку состояния дисков (scandisk.exe) и т. д.

Драйверы устройств – это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода DOS и обеспечивают обслуживание новых или нестандартное использование имеющихся устройств. Например, с помощью драйвера DOS ramdrive.sys возможна работа с « электронным диском», т.е. частью памяти компьютера, с которой можно работать так же, как с диском. Драйверы помещаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле CONFIG.SYS. Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы DOS.

MICROSOFT WINDOWS

Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой. Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек:

– Многозадачность. Есть возможность одновременно запускать несколько программ.

– Единый программный интерфейс. Взаимодействие между программами, написанными для Windows, организовано так, что есть возможность создавать данные в одних программах и переносить их в другие программы.

– Единый интерфейс пользователя. Разобравшись с тем, как работает одна программа, написанная для Windows, нетрудно разобраться с другой. Чем больше программ изучить, тем проще изучение последующей программы.

– Графический интерфейс пользователя. Файлы программ и данных отображаются на экране в виде значков. С файлами работают с помощью мыши.

– Единый аппаратно-программный интерфейс. Среда Windows обеспечивала совместимость разнообразного оборудования и программ. Изготовители оборудования не заботились о том, как « угадать», к какими программами их устройствам предстоит работать, они добивались только работы с Windows, а дальше Windows обеспечивала работу устройств. Точно также изготовители программ могли более не беспокоиться о работе с неизвестным им оборудованием. Их задача свелась к тому, чтобы обеспечить взаимодействие с Windows.

На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера (в том случае, если установлена только одна эта система).

В MS Windows для хранения файлов используется модификация файловой системы FAT – VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов.

В операционной системе Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор мышь. Обычно мышь используется для выделения фрагментов текста или графических объектов, установки и снятия флажков, выбора команд меню, кнопок панелей инструментов, манипулирования элементами управления в диалогах, «прокручивания» документов в окнах.

В Windows активно используется и правая кнопка мыши. Поместив указатель мыши на объекте и сделав щелчок правой кнопкой мыши, можно раскрыть так называемое «контекстное меню», содержащее наиболее употребительные команды, применимые к данному объекту.

Ярлыки обеспечивают доступ к программе или документу из различных мест, не создавая при этом нескольких физических копий файла. На рабочий стол можно поместить не только пиктограммы (значки) приложений и отдельных документов, но и папок. Папки – еще одно название каталогов (directories).

Существенным нововведением в Windows 95 стала Панель задач (Taskbar). Несмотря на небольшие функциональные возможности, она делает наглядным механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями по сравнению с предыдущими версиями Windows. Внешне панель задач представляет полосу, обычно располагающуюся в нижней части экрана, на которой размещены кнопки приложений и кнопка Пуск (Start). В правой ее части обычно присутствуют часы и небольшие пиктограммы программ, активных в данный момент.

Рабочий стол Windows сконструирован так, чтобы максимально облегчить работу пользователя-новичка и в то же время предоставить максимальные возможности его настройки в соответствии с конкретными нуждами опытных пользователей.

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА LINUX

Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows. Все компоненты системы, включая исходные тексты, распространяются с лицензией на свободное копирование и установку для неограниченного числа пользователей.

Разработал эту операционную систему в начале 1990-х студент университета Хельсинки (Финляндия) Линус Торвальд при участии пользователей сети Интернет, сотрудников исследовательских центров, различных фондов и университетов.

Будучи традиционной операционной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя персонального компьютера скорость, эффективность и гибкость Unix, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста.

С экономической точки зрения Linux обладает еще одним весьма существенным достоинством – это бесплатная система. Linux распространяется по генеральной открытой лицензии GNU в рамках фонда свободного программного обеспечения (Free Software Foundation), что делает эту операционную систему доступной для всех желающих. Linux защищена авторским правом и не находится в общедоступном пользовании, однако универсальная общественная лицензия GNU – это почти то же самое, что и передача в общедоступное пользование. Она составлена так, что Linux остается бесплатной и в то же время стандартизированной системой. Существует лишь один официальный вариант ядра Linux.

От Unix операционной системе Linux достались еще две замечательные особенности: она является многопользовательской и многозадачной системой. Многозадачность означает, что система может выполнять несколько задач одновременно. Многопользовательский режим – это режим, при котором в системе могут одновременно работать несколько пользователей, и каждый из них взаимодействует с системой через свой терминал. Еще одним из достоинств этой операционной системы является возможность ее установки совместно с Windows на один компьютер.

С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования. Университеты по всему миру применяют Linux в учебных курсах по программированию и проектированию операционных систем. Linux стал незаменим в широких корпоративных сетях, а также для организации Интернет-узлов и Web-серверов.

Современный Linux предоставляет возможность использовать несколько разновидностей графического интерфейса: KDE (K Desktop Environment), GNOME (GNU Network Model Environment) и другие. В каждой из этих оболочек пользователю предоставляется возможность работы сразу с несколькими рабочими столами (в то время как в MS Windows всегда один рабочий стол, который приходится загромождать окнами).

Компьютер предоставляет различные ресурсы для решения задачи, но чтобы сделать эти ресурсы легко доступными для человека и его программ, нужна операционная система. Она скрывает от пользователя сложные и ненужные подробности и предоставляет ему удобный интерфейс для работы. Операционные системы могут предоставлять и другие возможности: средства защиты информации, хранящейся на дисках компьютера; работа нескольких пользователей на одном компьютере (многопользовательский режим), возможность подключения компьютера к сети, а также объединение вычислительных ресурсов нескольких машин и совместное их использование (кластеризация).

Шацукова Л.З. Информатика . Интернет-учебник.http://www.kbsu.ru/~book

Анна Чугайнова

Аннотация: Функции операционной системы. Структура операционной системы. Классификация операционных систем. Требования к операционным системам.

Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).

Рис. 1.1.

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение ( ПО , software ) и оборудование или аппаратное обеспечение ( hardware ). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО .

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа ( приложение , application ). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word ), графические редакторы ( Paint , Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel ), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server ), браузеры ( Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением ( application software ).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio .

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы , выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие ( архивирование ) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
предоставление пользовательского интерфейса;
обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) .

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур . В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [ ; ]. В говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 "Архитектура Windows"), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

По способу организации вычислений:
- системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
- системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
- системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
По типу ядра:
- системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
- системы с микроядром (microkernel operating systems);
- системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
По количеству одновременно решаемых задач:
- однозадачные (single-tasking operating systems);
- многозадачные (multitasking operating systems).
По количеству одновременно работающих пользователей:
- однопользовательские (single-user operating systems);
- многопользовательские (multi-user operating systems).
По количеству поддерживаемых процессоров:
- однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
- многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
По поддержке сети:
- локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
- сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
По роли в сетевом взаимодействии:
- серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
- клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
По типу лицензии:
- открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
- проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
По области применения:
- операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
- операционные системы серверов (server operating systems);
- операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
- операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
- встроенные операционные системы (embedded operating systems);
- операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

Требования к операционным системам

Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные :

расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
надежность – вероятность безотказной работы системы;
производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

Резюме

В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

Контрольные вопросы

Дайте определение понятию "операционная система".
Назовите примеры прикладного, инструментального и системного программного обеспечения.
Дайте определение понятий "системный вызов", "API", "драйвер", "ядро".
Какие виды ядер вы знаете? К каким видам относятся ядра известных вам операционных систем?
Чем ядро отличается от операционной системы?
Приведите несколько способов классификации операционных систем.
Назовите требования к современным операционным системам и объясните, что они означают.

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ

Операционная система (ОС) представляет собой совокупность программ, выполняющих две основные функции: предоставление пользователю удобств виртуальной машины и повышение эффективности использования компьютера при рациональном управлении его ресурсами.

Виртуальная машина - это функциональный эквивалент воображаемого компьютера с заданной конфигурацией, моделируемый программно-аппаратными средствами реального компьютера. ОС скрывает от пользователя особенности физического расположения информации на дисках и осуществляет обработку прерываний (прекращение вычислительного процесса, вызванное требованиями на обслуживание других устройств), управление таймерами и оперативной памятью. В результате пользователю предоставляется виртуальная машина, реализующая работу на логическом уровне.

К современным операционным системам предъявляются следующие требования:

совместимость - ОС должна включать средства для выполнения приложений, подготовленных для других ОС;
переносимость - обеспечение возможности переноса ОС с одной аппаратной платформы на другую;
надежность и отказоустойчивость - предполагает защиту ОС от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов;
безопасность - ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других;
расширяемость - ОС должна обеспечивать удобство внесения последующих изменений и дополнений;
производительность - система должна обладать достаточным быстродействием.

По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС однозадачные (MS DOS, ранние версии PC DOS) и многозадачные (OS/2, UNIX, Windows).

Однозадачные ОС предоставляют пользователю виртуальную машину и включают средства управления файлами, периферийными устройствами и средства общения с пользователем. Многозадачные ОС дополнительно управляют разделением между задачами совместно используемых ресурсов. Многозадачность бывает невытесняющая (NetWare, Windows3/95/98) и вытесняющая (Windows NT, OS/2, UNIX). В первом случае активный процесс по окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого процесса. Во втором - решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимает ОС.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на однопользовательские (MS DOS, Windows Зх, ранние версии OS/2) и многопользовательские (UNIX, WINDOWS NT). В многопользовательских системах присутствуют средства защиты информации пользователей от несанкционированного доступа.

В сетевой ОС присутствуют средства передачи данных между компьютерами по линиям связи и реализация протоколов передачи данных.

Кроме ОС, ориентированных на определенный тип аппаратной платформы, существуют мобильные ОС, легко переносимые на разные типы компьютеров (UNIX). В таких ОС аппаратно-зависимые места локализованы и при переносе системы переписываются. Аппаратно-независимая часть реализуется на языке программирования высокого уровня, как правило, на языке Си, и перекомпилируется при. переходе на другую платформу.

В настоящий момент около 90% компьютеров используют ОС Windows. Более широкий класс ОС ориентирован для использования на серверах. К этому классу ОС относятся семейство UNIX, разработки фирмы Microsoft (MS DOS и Windows), сетевые продукты Novell и корпорации IBM.

UNIX - многопользовательская, многозадачная ОС, включает достаточно мощные средства защиты программ и файлов различных пользователей. ОС UNIX является машинонезависимой, что обеспечивает высокую мобильность ОС и легкую переносимость прикладных программ на компьютеры различной архитектуры. Важной особенностью ОС семейства UNIX являются ее модульность и обширный набор сервисных программ, которые позволяют создать благоприятную операционную обстановку для пользователей-программистов (т. е. система особенно эффективна для специалистов - прикладных программистов).

Независимо от версии общими для UNIX чертами являются многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа; реализация многозадачной обработки в режиме разделения времени; переносимость системы путем написания основной части на языке Си.

Недостаток UNIX - большая ресурсоемкость, и для небольших однопользовательских систем на базе персональных компьютеров она чаще всего является избыточной.

В целом ОС семейства UNIX ориентированы прежде всего на большие локальные (корпоративные) и глобальные сети, объединяющие работу тысяч пользователей. Большое распространение UNIX и ее версия LINUX получили в сети Интернет, где важнейшее значение имеет машинонезависимость ОС.

ОС MS DOS широко использовалась для персональных компьютеров, построенных на базе процессоров Intel 8088-80486.

В настоящее время MS DOS для управления персональными компьютерами практически не применяется. Однако ее не следует считать полностью исчерпавшей свои возможности и потерявшей актуальность. Низкие требования к аппаратным ресурсам оставляют DOS перспективной для практического использования. Так, в 1997 г. компания СаШега начала работы по адаптации DR DOS (аналог MS DOS) к рынку встроенных ОС мелких высокоточных устройств, присоединяемых к Интернету и интранет-сетям. К этим устройствам относятся кассовые аппараты, факсы, персональные цифровые ассистенты, электронные записные книжки и др.

Операционные системы Windows - это семейство операционных систем, включающих: Windows 3.1, Windows for Workgroups 3.11, Windows 9X, Windows NT, Windows 2000, Windows ME (первые две обычно называют операционными оболочками, поскольку ОС DOS для них устанавливалась отдельно). Windows 95 характеризуется простотой инсталляции, невысокими уровнями защиты данных и устойчивости к сбоям приложений. Windows 95 обладает интуитивно понятным интерфейсом, поддерживает, технологию plug-and-play, содержит встроенные средства для сетевой работы.

Windows 98 является развитием Windows 95. Эта версия тесно интегрирована с Web-броузером Internet Explorer и содержит большое количество драйверов к старым и новым устройствам. Пользователи отмечают упрощенный процесс инсталляции ОС, пониженные по сравнению с NT требования к мощности процессора, объему памяти и дисковому пространству. Одной из разновидностей Windows является ОС Windows СЕ. Эта линия ОС предназначена для использования на портативных компьютерах. Windows СЕ представляет собой 32-разрядную объектно-ориентированную многозадачную ОС, имеет встроенные функции энергосбережения. Версия Windows СЕ 3.0 (2000) приближается по своим возможностям к системам реального времени. Основная часть этой компактной ОС записана в перепрограммируемое ПЗУ портативных компьютеров. Windows NT 5.0 или Windows 2000 - полностью 32-разрядная ОС с приоритетной многозадачностью, улучшенной реализацией работы с памятью и изначально проектировалась со средствами обеспечения надежности, защиты и управления. Windows 2000 выпускается в четырех вариантах: Windows 2000 Professional, Windows 2000 Server, Windows 2000 Advanced Server и Windows 2000 DataCenter Server. Эти версии отличаются количеством входящих в поставку служб и программ, степенью поддержки аппаратного обеспечения.

Операционная система OS/2 (Operating system/2) является однопользовательской многозадачной ОС, односторонне (MS DOS -> OS/2) программно совместимой с MS DOS и предназначенной для работы с МП 80386 и выше (ПК IBM PC и PS/2). OS/2 может одновременно выполнять до 16 программ (каждая из них в своем сегменте памяти), но среди них только одну, подготовленную для MS DOS.

Важными особенностями OS/2 является наличие многооконного интерфейса пользователя; программных интерфейсов для работы с системой баз данных; эффективных программных интерфейсов для работы в локальных вычислительных сетях. К недостаткам OS/2 относится в первую очередь сравнительно небольшой объем программных приложений, наработанных к настоящему времени.

Базовое системное программное обеспечение

В базовое программное обеспечение входят:

· операционная система (ОС);

· операционные оболочки (текстовые и графические);

· сетевая операционная система.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

В секторе программного обеспечения и операционных систем ведущее положение занимают системы семейства MS Windows. Рассмотрим наиболее распространенные типы операционных систем.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

· одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);

· одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);

· непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.

Сетевые операционные системы - комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах.

Операционные оболочки - специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.

Наиболее популярны следующие виды текстовых оболочек операционной системы: Total Commander, Windows Commander и др.

Рассмотрим подробнее операционную систему.

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем.

Операционная система выполняет следующие функции:

· управление работой каждого блока персонального компьютера и их взаимодействием;

· управление выполнением программ;

· организацию хранения информации во внешней памяти;

· взаимодействие пользователя с компьютером, т.е. поддержку интерфейса пользователя.

Обычно операционная система хранится на жестком диске, а при его отсутствии выделяется специальный диск, который называется системным. При включении компьютера операционная система автоматически загружается с диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. Операционная система создается не для отдельной модели компьютера, а для серии компьютеров, в структуре которых заложена и развивается во всех последующих моделях определенная концепция.

В основе любой операционной системы лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в операционной системе принцип организации хранения логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов.

Файл - логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл служит учетной единицей информации в операционной системе. Любые действия с информацией осуществляются над файлами.

В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи, числа, программы, таблицы и т.п. Особенности конкретных файлов определяются их форматом. Под форматом понимается элемент языка, в символическом виде описывающий представление информации в файле.

Для характеристики файла используются следующие параметры:

· полное имя файла;

· объем файла в байтах;

· дата и время создания файла;

· специальные атрибуты файла: только для чтения, скрытый, системный, архивированный.