Операционная система компьютера
Операционной системой называется комплекс программных средств, обеспечивающих функционирование отдельных устройств компьютера и их взаимодействие, а также взаимодействие устройств компьютера и прикладных программ. Следует отметить, что современные компьютеры конструируются в расчете на то, что они будут работать под управлением какой-нибудь операционной системы. Операционная система обеспечивает работоспособность компьютера и создает ту среду, в которой функционируют компьютерные программы. Кроме того, при включении компьютера в локальную сеть операционная система может выполнять часть сетевых функций.
Исторически операционная система появилась как комплекс программ, освобождающих программистов от программирования типовых операций, повторяющихся от программы к программе. Элементарные операции для работы с устройствами компьютера и для управления ресурсами компьютера - это операции низкого уровня. В прикладных программах их всегда бывает очень много, и в разных программах они по своей сути одинаковые. Как только вычислительные машины и программы для них достигли определенного уровня производительности, дальнейший прогресс в программировании стал невозможен без унификации всех стандартных операций при работе с отдельными устройствами компьютера.
Первые операционные системы представляли собой единый интегрированный комплекс служебных программ, обеспечивающий взаимодействие пользовательских программ с различными элементами компьютера и пригодный для широкого класса компьютеров. Постепенно на операционную систему был возложен ряд функций по управлению процессами, происходящими в компьютере. Постепенно круг этих функций расширялся, пока сформировался современный взгляд на предназначение и функции операционной системы.
Современные операционные системы обеспечивают:
¨ установку операционной системы на компьютере;
¨ включение и исключение функциональных компонент в составе ОС;
¨ настройку параметров операционной системы;
¨ загрузку операционной системы при включении компьютера;
¨ тестирование устройств компьютера и функциональных подсистем ОС и исправление возможных нарушений;
¨ автоматическое определение текущей конфигурации устройств компьютера (Plug And Play);
¨ управление памятью;
¨ управление выполнением программ;
¨ управление вводом-выводом;
¨ управление файловой системой;
¨ обработку прерываний;
¨ управление работой аппаратных устройств компьютера;
¨ взаимодействие с ОС пользователей и программ (пользовательский интерфейс ОС);
¨ многозадачный режим;
¨ многопользовательский режим;
¨ разделение между программами ресурсов компьютера (оперативной памяти, времени процессора, внешней памяти, периферийных устройств и др.);
¨ корректность совместного владения данными несколькими программами или пользователями;
¨ безопасность функционирования компьютера: защита памяти, используемой одной программой или пользователем, от использования другой программой или пользователем.
Первые вычислительные машины были устроены таким образом, что на них могла работать одновременно только одна программа, которая всегда загружалась c начального адреса оперативной памяти. Например, одна из лучших ламповых машин БЭСМ-2 имела около 4 тыс. ячеек оперативной памяти для команд и чисел. С ростом оперативной памяти в нее стало возможным поместить одновременно несколько программ. Это позволило сэкономить время на ввод программ в оперативную память, так как стало возможно совместить его с работой процессора. Такая технология позволила в десятки раз повысить эффективность использования очень дорогого тогда времени компьютера. Однако параллельно возникла задача обеспечения взаимодействия программ, одновременно находящихся в оперативной памяти, и задача распределения участков оперативной памяти между программами. Эти функции, называемые управлением выполнением программ и управлением памятью, являются основными функциями операционной системы, без которых работа компьютера невозможна.
Скорость обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами во много раз меньше скорости работы процессора. Поэтому оптимальное использование ресурсов компьютера возможно только тогда, когда операции обмена информацией с внешними устройствами не приостанавливают работу процессора. С другой стороны, операции ввода-вывода многочисленны, но стандартны и мало отличаются от программы к программе. Например, ввод информации предполагает наличие многих типовых действий, кроме собственно ввода. В частности, необходимо:
¨ определить номер порта ввода-вывода, соответствующего устройству;
¨ проверить физическое наличие устройства;
¨ установить, включено или выключено требуемое устройство;
¨ проверить, установлен ли на этом устройстве носитель информации (например, магнитный диск);
¨ сверить код носителя информации;
¨ найти место требуемой информации на носителе;
¨ подготовить считывающее устройство для считывания требуемой информации (например, установить магнитную головку над дорожкой диска);
И только после этого начинается непосредственный обмен данными оперативной памяти с внешним устройством. При этом надо еще отслеживать возможные повреждения на поверхности диска или сбои при чтении информации с магнитной поверхности диска. Каждая ошибка на этапе ввода или вывода должна обрабатываться определенным образом.
Все подобные операции входят в состав подсистемы управления вводом-выводом. Если в некоторой пользовательской программе нужно задать операцию ввода или вывода данных на внешний носитель, то вместо прописывания всех необходимых для этого действий в программу вставляется обращение к соответствующей подпрограмме операционной системы. Конкретные детали действий передаются вызываемой подсистеме в качестве дополнительных параметров. Операционная система выполняет нужные действия, после чего осуществляется возврат к пользовательской программе.
Проблема структурной организации наборов данных, хранящихся на внешних носителях компьютера, возникла тогда, когда емкость внешних носителей настолько увеличилась, что нахождение наборов данных стало серьезной проблемой (как поиск нужной книги в библиотеке – это совершенно другая задача по сравнению с поиском книги в домашнем шкафу). Файловой системой называется способ организованного хранения наборов данных на внешнем носителе и одновременно конкретные наборы данных на конкретном носителе. Операционная система умеет распознавать и читать файловую систему внешнего устройства компьютера. Функция поддержки файловой системы в работоспособном состоянии называется управлением файловой системой.
В случае сбоев при выполнении программы или процедуры ввода-вывода операционная система берет на себя решение о дальнейших действиях. Для этого она прерывает выполнение текущей программы и пытается проанализировать произошедшую ошибку. В зависимости от характера ошибки работа пользовательской программы либо продолжается, либо аварийно заканчивается.
В современных компьютерах реакция на непредвиденные ситуации частично предусмотрена уже конструкцией компьютера. Процессор компьютера реагирует на сигналы прерывания, которые передаются по шине прерывания при ошибках при выполнении команд программы, при ошибках ввода-вывода и в других исключительных ситуациях. Номер прерывания передается вместе с сигналом прерывания. При получении сигнала прерывания операционная система, пользуясь номером прерывания, выбирает одну из стандартных реакций на ошибку. Эта функция операционной системы называется обработкой прерываний.
Дальнейшее развитие техники инициировало появление новых групп функций операционной системы. Появление клавиатуры для ручного ввода информации в компьютер привело к включению в состав операционной системы программ, осуществляющих обработку сигналов от клавиатуры и их предварительную расшифровку. С появлением мониторов для удобного представления промежуточных и окончательных результатов работы программ связано включение в операционную систему функций управления вывода на экран дисплея текстовой и графической информации.
Еще одной типовой функцией при работе на компьютере служит управление различными внешними устройствами (винчестерами, гибкими дисками, мониторами, клавиатурой и т.д.). Эти устройства выпускаются самыми различными фирмами. Одинаковые по назначению устройства могут иметь различные характеристики и управляться совершенно разным способом. Для управления внешним устройством марки определенной фирмы требуется своя специальная программа, которая называется драйвером устройства. Существуют драйверы принтеров, драйверы дисководов, драйверы мыши и т.д. Если компьютер комплектуется определенным набором внешних устройств каких-то марок, то одновременно его программное обеспечение должно включать соответствующие драйверы. Современные операционные системы включают большой набор разнообразных типовых драйверов. Более того, они умеют при включении компьютера автоматически определять тип используемого устройства и подключать к работе соответствующий драйвер (эта услуга называется Plug and Play). Естественно, это возможно только в случае, если устройство «умеет» отвечать на вопрос о своей марке (основные производители компьютерной техники эту услугу предусматривают).
Все современные операционные системы (например, UNIX или Windows NT) обеспечивают многозадачный (одновременное выполнение нескольких программ) и многопользовательский (одновременная работа нескольких пользователей) режимы работы компьютера. Многозадачный режим означает одновременную работу на компьютере нескольких программ. Конечно, если компьютер содержит один центральный процессор, он может выполнять только одну программу. Однако операционная система так организует работу компьютера, что создается иллюзия одновременной работы нескольких программ.
Многозадачный режим работы компьютера требует от операционной системы обеспечения следующих возможностей:
¨ параллельного (псевдопараллельного) выполнения нескольких программ;
¨ постановки заданий (то есть программ) в очередь на выполнение;
¨ разделение между программами ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам.
Многопользовательский режим работы вычислительной системы (в частности, одного компьютера) предполагает работу с данными нескольких пользователей. При многопользовательском режиме дополнительно должно выполняться:
¨ разделение ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам в соответствии с запросами и приоритетами пользователей;
¨ защиту данных одного пользователя от доступа со стороны других пользователей.
Режимом разделения времени называется такая организация многозадачной и многопользовательской работы программ на одном компьютере, при которой каждой программе в зависимости от приоритета выделяется квант времени, в течение которого работает только эта программа. При этом постоянно в оперативной памяти компьютера находится только небольшая часть программы, а основная ее часть загружается на время выполнения программы и выгружается (освобождается) после окончания выделенного программе кванта времени.
Часто используется такой вариант работы, когда на компьютере работает одна основная (как правило, интерактивная) программа, которая часто находится в режиме ожидания, и другая (вычислительная) программа, требующая большого количества времени процессора или внешних устройств. Когда первая программа ждет, вторая работает, когда первая программа начинает работать, вторая останавливается. В таком случае говорят, что вторая программа работает в фоновом режиме.
Все взаимодействие с операционной системой идет через запросы пользователя или прикладной программы к операционной системе и вывод результатов выполнения запроса в текстовой или графической форме. Способ, которым это взаимодействие организовано, называется пользовательским интерфейсом операционной системы. Например, в системе MS DOS запросы к ОС формулируются в форме текстовых команд, а ответы – в форме текстовых сообщений. В системе Windows управлять операционной системой можно путем манипулирования различными графическими компонентами изображения текущего состояния исполняемых программ в форме оконных бланков. Принято различать текстовой и графический пользовательский интерфейс.
Операционные системы очень сильно эволюционировали с момента своего возникновения. Вначале эксплуатировались несколько вариантов операционной системы на вычислительных машинах различных фирм. В силу ряда причин к середине 70-х годов в большинстве компьютеров использовалась система машинных команд и операционная система компании IBM, названная дисковой операционной системой (DOS). Эта же фирма была одним из пионеров в разработке персональных компьютеров. Те модели персональных компьютеров, которые позаимствовали архитектуру и систему команд фирмы IBM, стали называться IBM PC-совместимыми компьютерами. На основе операционной системы DOS для таких компьютеров были разработаны несколько операционных систем. В дальнейшем практически все PC-совместимые персональные компьютеры стали обслуживаться операционной системой компании MicroSoft, называемой MS DOS. С течением времени появлялись новые версии MS DOS, включающие все новые и новые услуги, однако в целом концепция операционной системы этой фирмы осталась неизменной.
Одновременно создавались другие операционные системы. Некоторые не имели широкого распространения, другие создавались как коммерческие продукты. Однако возможности их были примерно одинаковыми, поскольку они определялись требованиями современной им техники и технологии. Совершенствование операционных систем шло по нескольким направлениям. Во-первых, одним из главных недостатков прежних систем являлись неудобный для рядового пользователя-непрофессионала пользовательский интерфейс. Для управления ими пользователь должен был вводить с клавиатуры закодированные текстовые сообщения. Частично эта трудность для персонального компьютера была снята за счет использования замечательной программной надстройки над MS DOS – программы Norton Commander, которая позволяла моделировать основные запросы к операционной системе MS DOS, манипулируя клавишами и различного рода меню, показываемыми на экране. В более современных версиях операционных систем дружественный пользователю интерфейс стал непосредственной частью самой системы.
Наиболее удачно интерфейс взаимодействия с ОС был реализован в компьютерах системы Macintosh. Постепенно заложенные там идеи стали стандартом для всех программ, работающих в интерактивном режиме (то есть в режиме общения с пользователем в реальном времени). В итоге для PC-совместимых персональных компьютеров была сконструирована и приобрела всеобщее распространение операционная система Windows со своим многооконным интерфейсом.
Наиболее важным следствием использования операционных систем при работе компьютера явилось то, что, поскольку типовые операции прикладной программы выполняют утилиты ОС, то и программа может работать только с той операционной системой, на которую она ориентирована. Зато программы стала сравнительно независимы от компьютера, необходимо лишь, чтобы на нем работала нужная ОС. Этот факт сильно расширил круг производителей компьютеров, что не могло не оказать положительного воздействия на прогресс в этой области. Программисты стали ориентироваться не на модель компьютера, а на операционную систему. В частности, было создано огромное количество DOS-программ.
Второе направление развития операционных систем – включение непосредственно в состав операционной системы новых услуг. Основой системы Windows стала стандартизация общения программ с внешними устройствами компьютера и стандартизация взаимодействия программ друг с другом.
Система Windows в качестве составной части содержит специальную программу - Диспетчер Печати, который берет на себя все функции по выводу на принтер текстовой и графической информации. Любая программа, желающая вывести на печать некоторую информацию, просто передает ее в буфер Диспетчера Печати вместе с параметрами вывода (например, количеством копий). После этого программа может работать дальше, а выводом на принтер будет заниматься Диспетчер Печати. Частью проблемы печати является проблема шрифтов, которая касается также вывода текстовой информации на экран монитора. В Windows поддержка шрифтов для принтера и монитора является функцией системы. Для смены шрифта при печати информации от пользовательской программы требуется только указать название шрифта и некоторые его характеристики (размер и спецэффекты), остальное сделает Диспетчер Печати (то же при выводе на экран).
Современные операционные системы основаны на концепции виртуальной машины. Виртуальной машиной называется абстрактная машина с улучшенными характеристиками оперативной памяти (называемой виртуальной памятью) и неограниченным количеством внешних устройств, обеспечивающая абсолютную безопасность данных разных программ. Прикладные системы ориентированы на такую идеальную виртуальную машину, а в задачу операционной системы входит такая организация работы реального компьютера, при которой с точки зрения прикладной программы он выглядит как виртуальная машина. Реализация виртуальной машины с помощью средств операционной системы называется эмуляцией виртуальной машины.
Возникновение вычислительных сетей привело к появлению нового класса типовых задач. Для обеспечения сетевой связи между персональными компьютерами стали использоваться сетевые оболочки (например, система NetWare фирмы Novell). Сетевые оболочки, хотя их часто называют операционными системами, не являются полнофункциональными операционными системами, так как предполагают, что на каждом отдельном компьютере функционирует своя операционная система. Функции сетевой оболочки выполняются сетевыми модулями, которые функционируют на компьютерах сети. С точки зрения ОС отдельного компьютера эти сетевые модули являются прикладными программами. Сетевая оболочка берет на себя все функции обеспечения процесса передачи данных между компьютерами с помощью следующего приема: для пользователя одного компьютера данные на другом компьютере представляются как еще один внешний носитель информации (диск) данного компьютера. При попытке прочитать в оперативную память файл этого диска (данные или программу) операционная система обратится к сетевому модулю, а подпрограммы, входящие в Novell, обеспечат правильную передачу данных с одного компьютера на другой.
Очередным шагом в развитии операционных систем явилось включение в операционные системы сетевых функций. К таким сетевым операционным системам относятся, например, операционная система Windows NT и различные версии UNIX. Эти системы обеспечивают как работу отдельного компьютера, так и работу в сети. При этом на них возлагается множество дополнительных сетевых функций. Это действия, связанные с установлением связи между узлами сети и с передачей данных в сети. Однако частично изменяются и рассмотренные выше функции операционной системы. Прежде всего это относится к файловой системе. При использовании сетевых ОС файловое пространство сети единое, хотя разные диски физически располагаются на разных носителях разных компьютеров. Пользователь может совершать с файлами те же операции, которые он совершает с файлами отдельного компьютера, не заботясь о том, что фактически при этом происходит перемещение информации с одного компьютера на другой.
Сетевые ОС всегда являются многопользовательскими. При этом приходится следить за тем, кто запустил конкретную программу и кто пользуется открытым в системе файлом. Важной функцией сетевой операционной системы является обеспечение доступа пользователей к данным и программам. Эта функция имеет два аспекта: проверка уровня секретности данных и проверка привилегий пользователя. Сетевая система имеет механизм кодирования уровня доступа к данным и кодирования привилегий пользователя таким образом, что всегда можно определить, имеет ли данный пользователь доступ к данному диску, каталогу или отдельному файлу. Кроме того, используются различные системы паролей, которые обеспечивают доступ к данным только того пользователя, который является владельцем этих данных, или которому разрешено использовать эти данные полностью или ограниченным образом (например, только для чтения).
Часть самых существенных функций операционной системы более подробно будет рассмотрена в следующих параграфах.
Понятие операционной системы(ОС). Назначение, основные функции и разновидности ОС
Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.
Назначение ОС
Назначение ОС - организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса (Интерфейс - совокупность аппаратуры и программных средств, необходимых для подключения периферийных устройств к ПЭВМ) между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС. Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.
В программном обеспечении ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любая из компонент программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.
Функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы.
Основные функции:
Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
Обеспечение пользовательского интерфейса.
Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.
Дополнительные функции:
Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация
Разновидности операционных систем
В соответствии с условиями применения различают три режима ОС: пакетной обработки, разделения времени и реального времени. В режиме пакетной обработки ОС последовательно выполняет собранные в пакет задания. В этом режиме пользователь не имеет контакта с ЭВМ, получая лишь результаты вычислений. В режиме разделения времени ОС одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ. В режиме реального времени ОС обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами. Время отклика ЭВМ с ОС реального времени на возмущающее воздействие должно быть минимальным.
Существует несколько видов операционных систем: DOS, Windows, UNIXразных версий и др. Наиболее распространенной является операционная системаWindows. Существует несколько версий Windows: Windows-3.1, Windows-95,Windows-98, Windows-2000, Windows NT. Все они близки между собой посодержанию, поэтому в дальнейшем рассмотрим операционные системы DOS иWindows-9х
Операционная система DOS состоит из следующих частей:
Базовая система ввода-вывода (ВIOS), находящаяся в постоянной памяти (постоянном запоминающем устройстве, ПЗУ) компьютера. Эта часть операционной системы является «встроенной» в компьютер. Ее назначение состоит в выполнении наиболее простых и универсальных услуг операционнойсистемы, связанных с осуществлением ввода-вывода. Базовая система ввода-вывода содержит также тест функционирования компьютера, проверяющий работу памяти и устройств компьютера при включении его электропитания. Кроме того, базовая система ввода-вывода содержит программу вызова загрузчика операционной системы.
Внешние команды DOS - это программы, поставляемые вместе с операционнойсистемой в виде отдельных файлов. Эти программы выполняют действияобслуживающего характера, например форматирование дискет, проверку дисков и т.д. Драйверы устройств - это специальные программы, которые дополняютсистему ввода-вывода DOS и обеспечивают обслуживание новых илинестандартное использование имеющихся.
Ключевой идеей Windows является обеспечение полной независимости программ от аппаратуры. Система Windows 3.1 изначально создавалась так, чтобы полностью взять на себя общение с конкретным типом дисплея или принтера. Как пользователю, так и программисту, создающему приложение под Windows предоставлены универсальные средства, снимающие проблему обеспечения совместимости с конкретной аппаратурой (аппаратная совместимость) и программным обеспечением (программная совместимость).
Унифицированный единый графический интерфейс с пользователем облегчает изучение новых программных продуктов.
Windows не только позволяет работать с привычным программным продуктом, но и предлагает дополнительные возможности (запуск нескольких программ одновременно, быстрое переключение с одной программы на другую, обмен данными между ними и т.п.). Обеспечена возможность работы со всеми прикладными программами MS-DOS (текстовыми процессорами, СУБД, электронными таблицами и пр.).
Windows 3.1 может работать в одном из трех режимов: Real (реальном), Standart (стандартном), 386 Enhanced (расширенном). В процессе установки Windows анализирует имеющиеся аппаратные ресурсы и автоматически устанавливает режим, наиболее полно использующий возможности имеющейся аппаратуры.
Windows 3.1 позволяет запускать одновременно несколько программ (в том числе одну и ту же программу несколько раз), с возможностью мгновенного переключения с одной программы на другую. Это позволяет инициировать длительный процесс (печать, сортировку и копирование больших объемов данных) и заняться другой работой, а не ждать, пока он закончится.
Windows 95 представляет собой продукт эволюционного развития системы Windows 3.1x и не означает полного разрыва с прошлым. Хотя она несет в себе много важных изменений по сравнению с 16-разрядной архитектурой Windows, в ней сохранены некоторые важнейшие свойства ее предшественницы. Результатом стало появление гибридной ОС, способной работать с 16-разрядными прикладными программами Windows, программами, унаследованными от DOS, и старыми драйверами устройств реального режима и в то же время совместимой с истинными 32-разрядными прикладными программами и 32-разрядными драйверами виртуальных устройств.
Среди наиболее важных усовершенствований, появившихся в Windows 95, изначально заложенная в ней способность работать с 32-разрядными многопотоковыми прикладными программами, защищенные адресные пространства, вытесняющая многозадачность, намного более широкое и эффективное использование драйверов виртуальных устройств и возросшее применение 32-разрядных хипов для хранения структур данных системных ресурсов. Ее наиболее существенный недостаток состоит в относительно слабой защищенности от плохо работающих программ, содержащих ошибки.
Windows NT по существу представляет собой операционную систему сервера, приспособленную для использования на рабочей станции. Этим обусловлена архитектура, в которой абсолютная защита прикладных программ и данных берет верх над соображениями скорости и совместимости. Чрезвычайная надежность Windows NT обеспечивается ценой высоких системных затрат, поэтому для получения приемлемой производительности необходимы быстродействующий процессор и по меньшей мере 16 Mb ОЗУ. Как и в OS/2 Warp, в системе Windows NT безопасность нижней памяти достигается за счет отказа от совместимости с драйверами устройств реального режима. В среде Windows NT работают собственные 32-разрядные NT-прикладные программы, а также большинство прикладных программ Windows 95. Так же, как OS/2 Warp и Windows 95, система Windows NT позволяет выполнять в своей среде 16-разрядные Windows- и DOS-программы.
В апреле 1987 г. компании IBM и Microsoft объявили о совместных планах по созданию новой операционной системы: OS/2. Прошло несколько лет, и мир стал свидетелем "бракоразводного процесса", в результате чего у OS/2 остался один родитель - компания IBM, а фирма Microsoft отдала все симпатии любимому детищу, имя которому Windows. Важно помнить, что OS/2 - это новая операционная система с графическим интерфейсам пользователя (ГИП), в то время как Windows представляет собой ГИП, работающий "поверх" DOS.
OS/2 является полностью защищенной операционной системой, благодаря чему невозможны конфликты между программами в памяти. Многозадачная система OS/2 способна выполнять одновременно несколько прикладных программ: например, Вы можете начать пересчет электронной таблицы, запустить печать документа в текстовом редакторе, связной пакет для приема/передачи сообщений электронной почты, а затем продолжить поиск записей в базе данных.
Система OS/2 поддерживает многопроцессные прикладные программы, рассчитанные на одновременное выполнение нескольких внутренних функций. Примерами могут служить текстовый редактор, в котором печать документа и проверка правописания осуществляются параллельно; электронная таблица с возможностью одновременного выполнения функций пересчета и просмотра или база данных, в которой можно совмещать функции обновления и поиска записей.
программа интерфейс операционный вычислительный
Сетевое обеспечение
Распределенная система – набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в распределённой системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим увеличить скорость вычислений, объем доступной информации, повысить надежность.
Командный интерфейс системы
Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:
Создание и управление процессов;
Управление вводом/выводом;
Управление внешней памятью;
Управление основной памятью;
Доступ к файловой системе;
Поддержку работы сети.
Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имеет разные названия:
Интерпретатор управляющих карт;
Процессор команд консолей;
-shell (в Unix ).
Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.
1. Функции операционных систем
2. Система прерываний
3. Защита памяти.
4. Виртуа́льная па́мять
5. Управление данными
6. Фа́йловая систе́ма
7.
8. Утили́та
9. Дра́йвер
10. Технология Plug-and-Play
11. Мультимедиа
Функции операционных систем
По современным представлениям операционная система должна уметь делать следующее:
− обеспечивать загрузку прикладных программ в память и их исполнение,
− обеспечивать управление памятью; в простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой, в многопроцессных системах это сложная задача управления системными ресурсами,
− обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, оптические диски, флэш-память и т. д.,
− предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как модемы, принтеры или двигатели, поворачивающие рулевые плоскости истребителя,
− предоставлять некоторый пользовательский интерфейс (слово некоторый здесь сказано не случайно - часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы).
Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа - дисковая операционная система MS DOS.
Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:
− параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач,
− организацию взаимодействия задач друг с другом,
− организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов,
− защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ,
− аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.
Система прерываний
Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для её исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.
Можно считать, что центральный процессор переключает свое внимание с устройства на устройство и с функции на функцию. На что именно обращено внимание ЦП в каждый данный момент, определяется выполняемой им программой.
Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или другими словами – входят в зону его внимания.
Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует система прерываний ЭВМ.
Прерывание – это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой – обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.
Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.
Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 1.3.1).
Рис. 1.3.1. Выполнение прерывания в компьютере: tр - время реакции процессора на запрос прерывания; tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания; tв - время восстановления прерванной программы
После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы – обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.
Время реакции – это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию.
Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.
Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора.
Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды.
Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом.
Глубина прерывания – максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 1.3.2. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.
Рис. 1.3.2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний
Без учета времени реакции, а также времени запоминания и времени восстановления:
Прерывания делятся на аппаратные и программные.
Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора. Они бывают:
· маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера;
· немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может.
Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:
особый случай, возникший при выполнении команды и препятствующий нормальному продолжению программы (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.);
наличие в программе специальной команды прерывания INTn, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации.
Каждому запросу прерывания в компьютере присваивается свой номер (тип прерывания), используемый для определения адреса обработчика прерывания.
При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:
· определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);
· определение типа выбранного запроса;
· сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;
· определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;
· выполнение программы - обработчика прерывания;
· восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;
· продолжение выполнения прерванной программы.
Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.
Задача программиста – составить программу – обработчик прерывания, которая выполняла бы действия, связанные с появлением запроса данного типа, и поместить адрес начала этой программы в специальной таблице адресов прерываний. Программа-обработчик, как правило, должна начинаться с сохранения состояния тех регистров процессора, которые будут ею изменяться, и заканчиваться восстановлением состояния этих регистров. Программа-обработчик должна завершаться специальной командой, указывающей процессору на необходимость возврата в прерванную программу.
Распознавание наличия сигналов запроса прерывания и определение наиболее приоритетного из них может проводиться различными методами. Рассмотрим один из них.
Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания
На рис. 1.3.3 приведена схема, обеспечивающая получение номера наиболее приоритетного запроса прерывания из присутствующих в компьютере на момент подачи сигнала опроса ("дейзи-цепочка")
Данная схема используется для анализа запросов аппаратных прерываний. Приоритет запросов прерываний (ЗПi) уменьшается с уменьшением номера запроса. В тот момент, когда компьютер должен определить наличие и приоритет внешнего аппаратного прерывания (обычно после окончания выполнения каждой команды), процессор выдает сигнал опроса. Если на входе ЗП3 присутствует сигнал высокого уровня (есть запрос), то на элементе 11 формируется общий сигнал наличия запроса прерывания и дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется. Если ЗП3=0, то анализируется сигнал ЗП2 и так далее. На шифраторе (элемент 12) формируется номер поступившего запроса прерывания.
Этот номер передается в процессор лишь при наличии общего сигнала запроса прерывания.
Такая структура позволяет быстро анализировать наличие сигнала запроса прерывания и определять наиболее приоритетный запрос из нескольких присутствующих в данный момент. Распределение приоритетов запросов прерываний внешних устройств осуществляется путем их физической коммутации по отношению к процессору. Указание приоритетов - жесткое и не может быть программно изменено. Изменение приоритетов возможно только путем физической перекоммутации устройств.
Рис. 1.3.3. Схема определения номера наиболее приоритетного запроса прерывания
Микропроцессоры типа х86 имеют два входа запросов внешних аппаратных прерываний:
· NMI - немаскируемое прерывание, используется обычно для запросов прерываний по нарушению питания;
· INT - маскируемое прерывание, запрос от которого можно программным образом замаскировать путем сброса флага IF в регистре флагов.
Рис. 1.3.4. Структура контроллера приоритетных прерываний
Единственный вход запроса маскируемых прерываний микропроцессора не позволяет подключить к нему напрямую сигналы запросов от большого числа различных внешних устройств, которые входят в состав современного компьютера: таймера, клавиатуры, "мыши", принтера, сетевой карты и т.д. Для их подключения к одному входу INT микропроцессора используется контроллер приоритетных прерываний (рис. 1.3.4). Его функции:
· восприятие и фиксация запросов прерываний от внешних устройств;
· определение незамаскированных запросов среди поступивших запросов;
· проведение арбитража: выделение наиболее приоритетного запроса из незамаскированных запросов в соответствии с установленным механизмом назначения приоритетов;
· сравнение приоритета выделенного запроса с приоритетом запроса, который в данный момент может обрабатываться в микропроцессоре, формирование сигнала запроса на вход INT микропроцессора в случае, если приоритет нового запроса выше;
· передача в микропроцессор по шине данных типа прерывания, выбранного в процессе арбитража, для запуска соответствующей программы - обработчика прерывания; это действие выполняется по сигналу разрешения прерывания INTA от микропроцессора, который выдается в случае, если прерывания в регистре флагов микропроцессора не замаскированы (IF=1).
Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица (рис. 1.3.5) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.
Рис. 1.3.5. Структура таблицы векторов прерываний
Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду - типу прерывания (табл. 1.3.1).
Таблица 1.3.1.
Различные источники задают тип прерывания по-разному:
· программные прерывания вводят его изнутри процессора или содержат его в номере команды INT n;
· аппаратные маскируемые прерывания вводят его от контроллера приоритетных прерываний по шине данных;
· немаскируемому аппаратному прерыванию назначен тип 2.
Во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль – супервизор прерываний.
Супервизор прерываний выполняет следующие действия:
Сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи;
Определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;
Устанавливает необходимый режим обработки пребывания;
Передает управление подпрограмме обработки прерывания.
После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач. Диспетчер задач производит:
Выбор готовой к выполнению задачи (в соответствии с дисциплиной обслуживания)
Восстановление контекста задачи;
Установка прежнего режима работы системы прерываний;
Передачу управления выбранной задаче.
В мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе.
В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет её до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д.
При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной.
Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.
Защита памяти.
Если в памяти могут одновременно находиться несколько независимых программ, необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращения одной программы к областям памяти используемым другими программами. Программы могут содержать такие ошибки, которые если этому не воспрепятствовать приводят к искажению информации принадлежащей другим программам. Таким образом, надо исключать воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и на программно операционную систему. Для воспрепятствования разрушению достаточно защитить область памяти данной программы от попыток записи в нее со стороны других программ, а в некоторых случаях и своей программы (защита от записи). При этом допускается обращение других программ в этой области для считывания данных. В других случаях, например при обращении на доступ к информации хранящейся в системе надо иметь возможность запрещать, другим программам производить, как запись, так и чтение в данной области памяти. Такая защита от записи и чтения помогает отладке программы, при этом осуществляется контроль каждого случая выхода за область памяти своей программы. Для облегчения отладки программ желательно выявлять и такие характерные ошибки в программах, как попытки использования данных вместо команд или команд вместо данных в собственной программе, хотя эти ошибки могут и не разрушать информацию. Отмечают следующие варианты дифференцированной защиты, при различных операциях с памятью:
1. задается отношение к области памяти чужой программы, определяющей относится защита только к операции с записью или к любому обращению в память;
2. задается одно из следующих обращений к области памяти собственной программы:
· разрешается доступ к данному блоку, как для записи, так и для считывания;
· разрешается только считывание;
· разрешается обращение любого вида по адресу взятого только из счетчика команд;
· разрешается обращение по адресу из любого реестра кроме счетчика команд.
Если нарушается защита памяти, использование программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти.
Защита от вторжения программы в чужие области памяти может быть организована различным образом, при этом реализация защиты не должна заметно снижать производительность системы и требовать слишком больших аппаратных затрат.
Виртуа́льная па́мять
Виртуа́льная па́мять - технология, разработанная с целью увеличения общего объема памяти, её защиты и автоматизации процесса перемещения машинного кода и данных между основной памятью компьютера и вторичным хранилищем.
В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных процессорах.
В случае расположения данных на внешних запоминающих устройствах память может быть представлена, например, специальным разделом на жёстком диске (partition) или отдельным файлом на обычном разделе диска.
Также существует термин swap (англ. swap, /swɔp/) также означающий виртуальную память (точнее способ её представления), или же означает подкачку данных с диска.
Применение механизма виртуальной памяти позволяет:
· упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением;
· рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);
· изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).
Управление данными
Управление данными (англ. data management) - процесс, связанный с накоплением, организацией, запоминанием, обновлением, хранением данных и поиском информации.
К управлению да́нными относятся:
§ Анализ данных
§ Моделирование данных
§ Управление базами данных
§ Работа с хранилищами данных
§ Извлечение, преобразование и загрузка данных
§ Добыча данных
§ Обеспечение качества данных
§ Защита данных
§ Управление метаданными (репозиториями данных)
· Архитектура данных
Вопросы представления данных тесно связаны с операциями, при помощи которых эти данные обрабатываются. К числу таких операций относятся: выборка, изменение, включение и исключение данных. В основе всех перечисленных операций лежит операция доступа, которую нельзя рассматривать независимо от способа представления.
В задачах поиска предполагается, что все данные хранятся в памяти с определенной идентификацией и, говоря о доступе, имеют в виду прежде всего доступ к данным (называемым ключами), однозначно идентифицирующим связанные с ними совокупности данных.
Пусть нам необходимо организовать доступ к файлу, содержащему набор одинаковых записей, каждая из которых имеет уникальное значение ключевого поля. Самый простой способ поиска - последовательно просматривать каждую запись в файле до тех пор, пока не будет найдена та, значение ключа которой удовлетворяет критерию поиска. Очевидно, этот способ весьма неэффективен, поскольку записи в файле не упорядочены по значению ключевого поля. Сортировка записей в файле также неприменима, поскольку требует еще больших затрат времени и должна выполняться после каждого добавления записи. Поэтому, поступают следующим образом - ключи вместе с указателями на соответствующие записи в файле копируют в другую структуру, которая позволяет быстро выполнять операции сортировки и поиска. При доступе к данным вначале в этой структуре находят соответствующее значение ключа, а затем по хранящемуся вместе с ним указателю получают запись из фала.
Существуют два класса методов, реализующих доступ к данным по ключу:
· методы поиска по дереву,
· методы хеширования.
Деревом называется конечное множество, состоящее из одного или более элементов, называемых узлами, таких, что:
· между узлами имеет место отношение типа "исходный-порожденный";
· есть только один узел, не имеющий исходного. Он называется корнем;
· все узлы за исключением корня имеют только один исходный; каждый узел может иметь несколько порожденных;
· отношение "исходный-порожденный" действует только в одном направлении, т.е. ни один потомок некоторого узла не может стать для него предком.
Хеширование используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией (от английского "to hash" - резать, измельчать). Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае ключевые данные, используемые для определения адреса записи организуются в виде таблицы, называемой хеш-таблицей.
Если множество ключей заранее неизвестно или очень велико, то от идеи однозначного вычисления адреса записи по её ключу отказываются, а хеш-функцию рассматривают просто как функцию, рассеивающую множество ключей во множество адресов.
Фа́йловая систе́ма
Фа́йловая систе́ма (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла, максимальный возможный размер файла, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.
Файловая система связывает носитель информации, с одной стороны, и API для доступа к файлам - с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа - это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).
С точки зрения операционной системы, весь диск представляет из себя набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.
Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные и сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.
Иерархия каталогов
Практически всегда файлы на дисках объединяются в каталоги.
В простейшем случае все файлы на данном диске хранятся в одном каталоге. Такая одноуровневая схема использовалась в CP/M и первых версиях MS-DOS. Иерархическая файловая система со вложенными друг в друга каталогами впервые появилась в UNIX.
Каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев, как в DOS/Windows, или же объединяться в одно дерево, общее для всех дисков, как в UNIX-подобных системах.
На самом деле, в DOS/Windows системах также, как и в UNIX-подобных существует один корневой каталог со вложенными директориями, имеющими названия «c:», «d:» и т. д. В эти каталоги монтируются разделы жёсткого диска. То есть, c:\ - это всего лишь ссылка на file:///c:/. Однако, в отличие от UNIX-подобных файловых систем, в Windows запись в корневой каталог запрещена, как и просмотр его содержимого.
В UNIX существует только один корневой каталог, а все остальные файлы и каталоги вложены в него. Чтобы получить доступ к файлам и каталогам на каком-нибудь диске, необходимо примонтировать этот диск командой mount. Например, чтобы открыть файлы на CD, нужно, говоря простым языком, сказать операционной системе: «возьми файловую систему на этом компакт-диске и покажи её в каталоге /mnt/cdrom». Все файлы и каталоги, находящиеся на CD, появятся в этом каталоге /mnt/cdrom, который называется точкой монтирования (англ. mount point). В большинстве UNIX-подобных систем съёмные диски (дискеты и CD), флеш-накопители и другие внешние устройства хранения данных монтируют в каталог /mnt, /mount или /media. Unix и UNIX-подобные операционные системы также позволяет автоматически монтировать диски при загрузке операционной системы.
Классификация файловых систем
По предназначению файловые системы можно классифицировать на следующие категории:
Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates - в BSD системах. Reiser4 не применяет журналирование, все операции в ней атомарны.
Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
Для оптических носителей - CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.
Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.
Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.
Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т.н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.
Задачи файловой системы
Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:
· именование файлов;
· программный интерфейс работы с файлами для приложений;
· отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
· устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».
Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя
Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя (ГИП), графический пользовательский интерфейс (ГПИ) (англ. Graphical user interface, GUI) - разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы интерфейса (меню, кнопки, значки, списки и тп.), представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.
В отличие от интерфейса командной строки, в ГПИ пользователь имеет произвольный доступ, с помощью устройств ввода (клавиатуры, мыши и тп.), ко всем видимым экранным объектам (элементам интерфейса) и осуществляется непосредственное манипулирование ими. Чаще всего элементы интерфейса в ГПИ реальзованы на основе метафор и отображают их назначение и свойства, что облегчает понимание и освоение программ пользователями.
История
Впервые концепция ГИП была предложена учеными из исследовательской лаборатории Xerox PARC в 1970-х.
В 1973 году в лаборатории Xerox PARC собрали молодых людей, недовольных политикой США (войной во Вьетнаме) и дали свободу исследований. В результате на свет появляется концепция графического интерфейса WIMP (Windows, Icons, Menus, Point-n-Click). В рамках этой концепции создаётся компьютер Alto.
В 1979 году Three Rivers Computer Company выпускает рабочую станцию PERQ, похожую по принципам построения на Alto. В 1981 Xerox выпускает продолжение Alto - Star.
Коммерческое воплощение концепция ГИП получила в продуктах корпорации Apple Computer. В операционной системе AmigaOS ГИП с многозадачностью был использован в 1985 году. В настоящее время ГИП является стандартной составляющей большинства доступных на рынке операционных систем и приложений.
Примеры систем, использующих ГИП: Mac OS, Solaris, GNU/Linux, Microsoft Windows, NeXTSTEP, OS/2, BeOS.
Классификация
Можно выделить следующие виды ГИП:[источник не указан 121 день]
· простой: типовые экранные формы и стандартные элементы интерфейса, обеспечиваемые самой подсистемой ГИП;
· истинно-графический, двумерный: нестандартные элементы интерфейса и оригинальные метафоры, реализованные собственными средствами приложения или сторонней библиотекой;
· трёхмерный: на данный момент слабо классифицирован.
Одним из требований к хорошему графическому интерфейсу программной системы является концепция «делай то, что я имею ввиду» или DWIM (англ. Do What I Mean). DWIM требует, чтобы система работала предсказуемо, чтобы пользователь заранее интуитивно понимал, какое действие выполнит программа после получения его команды.
Утили́та
Утили́та (англ. utility или tool) - компьютерная программа, расширяющая стандартные возможности оборудования и операционных систем, выполняющая узкий круг специфических задач.
Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам, настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают процесс изменения некоторых параметров проще (автоматизируют его).
Утилиты зачастую входят в состав операционных систем или идут в комплекте со специализированным оборудованием.
ОС выступает в качестве посредника между пользователем и технической составляющей персонального компьютера. Именно на операционную систему возложено большое число функций для стабильной и эффективной работы устройства. Какие функции выполняет операционная система? Она выполняет три основных функции: распределение, осуществление текущего контроля и планирование. Операционная система многим напоминает инженеров на заводе - так же планирует, когда запускать ту или иную службу и в какой очередности, чтобы не было системного конфликта.
Функция распределения
В функции операционной системы входит очень важная функция - распределения. ОС распределяет очередность запуска тех или иных программ и приложений. Важно понимать, что каждая запущенная программа требует определенного объема памяти, поэтому запуск всех программ одновременно технически невозможен. Поэтому есть очередь запуска, которая осуществляет свою деятельность благодаря функции распределения. Кроме этого, функция распределения управляет сетевыми устройствами, устройствами ввода-вывода и прочими периферийными аппаратами.
Функция планирования
Каждая операционная система выполняет функции планирования. Как уже говорилось, персональный компьютер не в состоянии работать сразу с тысячами задач, для этого существует функция планирования. Зачастую мы одновременно работаем в текстовом редакторе, отправляем файлы на печать и сканируем документы. Так вот, чтобы все эти процессы работали, операционная система скоординирует работу всех процессов - они будут выполняться максимально эффективно и не потребуют много времени. Функции операционной системы позволяют устанавливать приоритеты выполнения задач, что, несомненно, сказывается на скорости выполнения всех процессов.
Функция контроля
Как и любая многозначная система, операционная система контролирует всю деятельность программ и прочих процессов компьютера. Отвечающая за контроль функция так и называется - функция контроля. Операционная система позволяет максимально эффективно использовать программные и технические средства. ОС отслеживает все процессы компьютера и ведет специальный журнал, в котором отражаются все процессы, в том числе какие программы запущены, используются и т.д., что позволяет мониторить всю ситуацию с персональным компьютером и предотвратить несанкционированный доступ к персональным данным. Существуют и другие функции операционной системы, мы упомянули лишь самые основные. В оперативной памяти компьютера хранится только небольшая часть ОС - ядро операционной системы, а большая часть хранится на жестком диске. Однако при выполнении какой-либо программы операционная система загружает ОЗУ. Размеры ОЗУ не безграничны, поэтому контроль за выполнением программ очень важен. Функции операционной системы максимально упрощают контроль процессов, происходящих в компьютере, и позволяют с максимальной точностью выявить проблему в случае ее возникновения.
ОС определяет облик всей вычислительной системы вцелом, несмотря на это пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение ОС.
Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по существу малосвязанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышения эффективности использования компьютера, путем рационального управления ресурсами.
Дополнительные функции:
1) параллельной или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);
7) многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа;
Основные характеристики ОС
Монопольные, которые могут использоваться только одной программой (печать, МЛ);
Разделяемые, которые допускают их совместное использование одновременно несколькими процессами (НМД, ОП).
В мультипрограммных и мультипроцессорных системах требуется разделение всех ресурсов, что и породило их виртуализацию.
Особенности алгоритмов управления ресурсами. От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, ОС делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.
Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:
Однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и
Многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).
Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Они включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.
Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:
Однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);
Многопользовательские (UNIX, Windows NT).
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:
вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).
невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);
Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).
Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.
Определение операционной системы. Место ОС в программном обеспечении вычислительных систем
1) ОС - набор программ, управляющих оборудованием;
2) ОС - набор программ, управляющих други программами.
Обе они имеют свой точный технический смысл.
Возникшая неоднозначность представления ОС требует нескольких определений, перерывающих в совокупности все ее качества и свойства.
ОС - это комплекс программ, связывающие прикладное ПО с физическими устройствами.
ОС - среда управления информацией и задачами пользователя. В этом смысле, все многообразие задач, выполняемых ОС, подразделяется на 2 большие группы:
1) обслуживание пользователя;
2) обслуживание самой ОС.
Разработчикам ПО ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций, представленных в интерфейсе программирования приложения. В большинстве вычислительных систем ОС является основной и наиболее важной, а иногда и единственной, частью системного ПО.
Назначение операционной системы
Место ОС в вычислительной системе
Основные функции, выполняемые ОС:
1) выполнение программ по запросу (ввод/вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти);
2) загрузки программ в оперативную память и их выполнение;
3) стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода/вывода);
4) управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти);
5) управление доступом к данным на энергонезависимых носителях, организованным в той или иной файловой системе;
6) обеспечение пользовательского интерфейса;
7) сохранение информации об ошибках системы.
Дополнительные функции:
1) паралллельной или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);
2) эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами;
3) разграничение доступа различных процессов к ресурсам;
4) организация надежных вычислений, основанная на разграничении доступа к ресурсам;
5) взаимодействие между процессорами, обмен данными, взаимная синхронизация;
6) защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей или приложений;
7) многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа
7)
Компоненты операционной системы:
1) загрузчик
2) ядро - центральная часть ОС, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются: процессорное время, память, устройства ввода/вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие так же могут быть реализованы на уровне ядра. Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимой для уровня работы. Как правило, ядро представляет такой доступ к исполняемым процессам соответствующих приложений засчет использования механизмов межпроцессорного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС. Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа ее реализации.
Объекты ядра ОС:
Процессы
События
Семафоры
Мьютексы
Файлы, проецируемые в память.
3) командный процессор (интерпретатор)
4) Драйверы устройств
5) интерфейс
8)
Эволюция ОС
Предшественником операционных систем следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальныхкомпьютеров 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.).
В 1950-1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.
Основные идеи
ОС как расширенная машина
Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно. Особенно это касается ввода и вывода. Например, для организации чтит блока данных с диска может использоваться 16 различных команд, в каждой из которых требуется порядка 15 параметров, таких как: номер блока на диске, номер сектора на дорожке и так далее. Когда выполнение операций с диском завершается, контролер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые очевидно надо анализировать.
При работе с диском пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.
Точно так же ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, ОС берет на себя при этом все вопросы, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря ОС, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем аульная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины. С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователям некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.
ОС как система управления ресурсами
Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователя соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющим всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из...
В соответствии со вторым подходом, функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечивать максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть: пропускная способность или реактивность системы.
Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурсов, задач. Планирование ресурсов - то есть, определение кому, когда и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс. Отслеживание состояний ресурсов - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов, какое количество ресурсов распределено, а какое свободно.
Для решения общих задач управление ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом, включая их характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС - системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.
Пакетный режим
Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.
[править]Разделение времени и многозадачность
Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.
Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.
Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) - в пакетном режиме.
[править]Разделение полномочий
Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.
Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора - «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).
[править]Реальный масштаб времени
Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») - синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.
Включение функции реального масштаба времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).
В ОС есть набор программ, которые распределяют ресурсы процессора. Приведенная выше формулировка является ключевой для всего курса. Дадим определение входящих в нее терминов.
Ресурс - средство системы обработки данных, которое может быть выделено процессу обработки данных на определенный интервал времени. Простыми словами, ресурс - это все те аппаратные программные средства и данные, которые необходимы для выполнения программы.
Ресурсы подразделяют на:
1) cистемные - низкоуровневые, которыми управляет сама операционная система. Время работы процессора, оперативная память, память на постоянных носителях, возможностиразнообразных внешних устройств и время их работы - все это система должна предоставлять пользователям и этим должна управлять.
2) пользовательские - это требования к системе выраженное в терминах объектов или функциональных характеристик прикладной области. Это может быть файл или таблица, окно для рисования в графической системе, документ в системе печати, мелодия в динамике, запущенное задание, массив памяти и т.д. В проективной системе пользователь должен понимать, в какие системные ресурсы преобразуются его прикладные запросы, чтобы оптимально проектировать их.
Ресурсы можно также подразделить на первичные и вторичные. К первой группе относятся те ресурсы, которые обеспечиваются аппаратными средствами. Например, процессор, память,устройства и каналы ввода-вывода и т.д. Ко второй группе - ресурсы порождаемые ОС. Например, системные коды и структуры данных, файлы, семафоры, очереди и т.д. В последнее время в связи с развитием распределенных вычислений и распределенного хранения данных все большее значения приобретают такие ресурсы как данные и сообщения.Ресурсы могут быть:
1) pазделяемыми - когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попременно)
2) неделимыми.
10)
Прежде всегонеободимо уяснить смысл термина операция или операционная. В теории управления под операцией понимают определенное управляющее воздействие, и мы вправе понимать под термином операционная система - управляющая система или управлемая система.
Оба понятия одинаково справедливы, т.к. ОС является одновременно и управляющей по отношению к ресурсам системы и управляемой, когда она выполняет команды пользователя.
Операционная среда - совокупность инструментов, методов их интеграции и приемов работы с ними,позволяющая решать любые задачи в инструментальной области и большинство задач в прикладных областях. Отличие операционной среды от специализированной состоит в том, что, во-первых, в операционной среде есть средства решения задач в прикладных областях (а не одной), а, во-вторых, если инструмента решения какой-то задачи нет, то средствами операционной среды его всегда можно задать. Здесь мы окончательно отождествляем машину и компьютер, причем не просто микропроцессор, а компьютер общего назначения, обладающий развитой системой ввода-вывода,хранения и переработки информации.Только такой мощный инструмент как компьютер может служить платформой для построения системы, способной выполнять задачи из различных сфер деятельности человека.
Не знаю,надо или нет,но есть такой раздел "Операционная среда. Прикладная среда"
Прикладная среда (ПС) - это модель окружения операционной системы обеспечивающего предоставления разнообразных интерфейсов. Прикладная среда создает вокруг базовой операционной системы оболочку, предоставляющую набор необходимых интерфейсов. В настоящее время понятие ПС дополено вводом в обиход нового понятия - множественные прикладные среды. В то время, как некоторые идеи, например объектно ориентированный подход непосредствнно касаются только разработчиков и лишь косвенно влияют на конечного пользователя,концепция множественных прикладных сред приносит пользователю возможность выполнять насвоей ОС программы, написанные для других операционных систем и других процессов. И сейчас дополнительное прграммное обеспечение позволяет пользователям некоторых ОС запускать чужиепрограммы. Например мак и юникс поволяют запускать дос и виндовс. Но в зарождающемся поколении операционных систем средства для выполнения чужих программ становятся стандартной частью системы. Выбор операционной системы больше не будет ограничивать выбор прикладных программ.
Понятие процесса.
Поток. Контекст. Волокна
