Назначение и функции операционной системы в персональном компьютере

Назначение и функции операционной системы в персональном компьютере.

введение.

Сегодня существует большое  количество разных типов операционных систем (далее ОС), отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Даже у конкретной операционной системы набор выполняемых функций зачастую определить не так просто — та функция, которая сегодня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, завтра может стать ее неотъемлемой частью и наоборот.

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

Разработчикам программного обеспечения операционная система  позволяет абстрагироваться от деталей  реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.

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

Поговорим о назначении операционных систем и о тех функциях, которые присущи этим системам для персональных компьютеров.

Что такое – операционные системы?

Назначение  ОС.

В различных источниках определение ОС встречаются разные.:

Операционная  система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера с другой стороны.

Операционная  система, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.

Операционная  система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью.

Операционная  система (ОС) - это неотъемлемая часть программного обеспечения, управляющая техническими средствами компьютера (hardware). Это программа, координирующая действия вычислительной машины; под ее управлением осуществляется выполнение программ.

Исходя из этих определений  можно сделать выводы о назначении ОС. ОС – это комплекс взаимосвязанных системных программ, предназначенный для:

• Организация взаимодействия пользователя с компьютером
• Выполнение различных программ
• Управление вычислительными процессами
• Управление работой устройств компьютера.

Функции операционных систем.

В функции ОС входит:

• пользовательский интерфейс, т.е. диалог с пользователем.
• управление процессами, т.е. выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
• ввод-вывод и управление данными;
• планирование и организация процесса обработки программ;
• всевозможные вспомогательные операции обслуживания;
• передача информации между различными внутренними устройствами;
• программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, принтера и др.).
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
• ведение файловой структуры.
• Дополнительные функции:
• параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений.
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Поговорим же подробнее  о некоторых из них.

Диалог с  пользователем.

Такой диалог осуществляется с помощью команд, которые в том или ином виде человек сообщает операционной системе. В ранних вариантах операционных систем такие команды просто вводились с клавиатуры в специальную строку. В последующем были созданы программы – оболочки ОС, которые позволяют общаться не только с ОС не только текстовым языком команд, а с помощью меню (в том числе пиктографического) или манипуляций с графическими объектами.

Пользовательский  интерфейс.

 Операционная система  должна обеспечивать удобный  интерфейс не только для прикладных  программ, но и для человека, работающего  за терминалом. Этот человек может  быть конечным пользователем,  администратором ОС или программистом.

 В ранних операционных  системах пакетного режима функции  пользовательского интерфейса были  сведены к минимуму и не  требовали наличия терминала.  Команды языка управления заданиями  набивались на перфокарты, а результаты  выводились на печатающее устройство.

 Современные ОС  поддерживают развитые функции  пользовательского интерфейса для  интерактивной работы за терминалами  двух типов: алфавитно-цифровыми  и графическими.

 При работе за  алфавитно-цифровым терминалом пользователь  имеет в своем распоряжении систему команд, мощность который отражает функциональные возможности данной ОС. Обычно командный язык ОС позволяет запускать и останавливать приложения, выполнять различные операции с файлами и каталогами, получать информацию о состоянии ОС (количество работающих процессов, объем свободного пространства на дисках и т. п.), администрировать систему. Команды могут вводиться не только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд.

 Программный модуль  ОС, ответственный за чтение отдельных  команд или же последовательности  команд из командного файла,  иногда называют командным интерпретатором. 

 Ввод команды может  быть упрощен, если операционная  система поддерживает графический пользовательский интерфейс. В этом случае пользователь для выполнения нужного действия с помощью мыши выбирает на экране нужный пункт меню или графический символ.

Выполнение  программ и взаимодействие с реальным устройством компьютера.

ОС как виртуальная машина.

Для того чтобы успешно  решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист  может обойтись без досконального  знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе  того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Более того, очень часто пользователь может не знать даже системы команд процессора. Пользователь-программист привык иметь дело с мощными высокоуровневыми функциями, которые ему предоставляет операционная система.

 Так, например, при  работе с диском программисту, пишущему приложение для работы  под управлением ОС, или конечному  пользователю ОС достаточно представлять  его в виде некоторого набора  файлов, каждый из которых имеет  имя. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи, а затем в закрытии файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами.

 Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска ему пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов.

 Операционная система берет на себя множество других рутинных операций, связанных с управлением другими аппаратными устройствами компьютера: физической памятью, таймерами, принтерами и т. д.

 В результате реальная  машина, способная выполнять только  небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор гораздо более мощных функций. Виртуальная машина тоже управляется командами, но это уже команды другого, более высокого уровня: удалить файл с определенным именем, запустить на выполнение некоторую прикладную программу, повысить приоритет задачи, вывести текст из файла на печать. Таким образом, назначение ОС состоит в предоставлении пользователю/программисту некоторой расширенной виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем  непосредственно с аппаратурой, составляющей реальный компьютер или реальную сеть.

Управление  процессами.

 Важнейшей частью  операционной системы, непосредственно  влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.

 Для каждого вновь создаваемого  процесса ОС генерирует системные  информационные структуры, которые  содержат данные о потребностях  процесса в ресурсах вычислительной  системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов.

 Чтобы процесс мог  быть выполнен, операционная система  должна назначить ему область  оперативной памяти, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

 В информацию о  процессе часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю его пребывания в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), значение приоритета. Данные такого рода могут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставлении ресурсов процессу.

 Одновременно может существовать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользователей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операционной системой для выполнения своих функций.

 В обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту.

 Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Наиболее тщательно защищаемый ресурс - области оперативной памяти, в которых хранятся коды и данные процессов. Совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных ОС процессу, называется его адресным пространством. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном пространстве, имея в виду защиту адресных пространств, осуществляемую ОС. Защищаются и другие типы ресурсов: файлы, внешние устройства и т. д. Также организовывается совместное использование оперативной памяти, например разрешается доступ к некоторой области памяти нескольким процессам.

ОС берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие ему приостанавливать свое выполнение до наступления какого-либо события в системе.

 Таким образом,  подсистема управления процессами  планирует выполнение процессов,  то есть распределяет процессорное  время между несколькими одновременно  существующими в системе процессами, занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами.

Немного об управлении памятью.

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, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической 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 виртуализирует отдельный 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.

Чтобы представить большое  количество наборов данных в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

 При выполнении  своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

 Подсистема управления  внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей.

 Поддержание высокоуровневого  унифицированного интерфейса прикладного  программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Со времени появления ОС UNIX такой унифицированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями.

Защита данных и администрирование

 Безопасность данных  вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.

 Первым рубежом  обороны при защите данных  от несанкционированного доступа  является процедура логического  входа. Операционная система должна  убедиться, что в систему пытается  войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Функции защиты ОС вообще очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы — файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, пользователю может быть запрещено выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Администратор может также урезать возможности пользовательского интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню операционной системы, выводимого на дисплей пользователя.

 Важным средством  защиты данных являются функции  аудита ОС, заключающиеся в фиксации  всех событий, от которых зависит  безопасность системы. Например, попытки удачного и неудачного  логического входа в систему,  операции доступа к некоторым  каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС.

 Поддержка отказоустойчивости  реализуется операционной системой, как правило, на основе резервирования. Чаще всего в функции ОС  входит поддержание нескольких копий данных на разных дисках или разных дисковых накопителях. Резервируются также принтеры и другие устройства ввода-вывода. При отказе одного из избыточных устройств операционная система должна быстро и прозрачным для пользователя образом произвести реконфигурацию системы и продолжить работу с резервным устройством. Особым случаем обеспечения отказоустойчивости является использование нескольких процессоров, то есть мультипроцессирование, когда система продолжает работу при отказе одного из процессоров, хотя и с меньшей производительностью. (Необходимо отметить, что многие ОС использует мультипроцессорную конфигурацию компьютера только для ускорения работы и при отказе одного из процессоров прекращают работу.)

 Поддержка отказоустойчивости также входит в обязанности системного администратора. В состав ОС обычно входят утилиты, позволяющие администратору выполнять регулярные операции резервного копирования для обеспечения быстрого восстановления важных данных.

Заключение.

ОС — это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.

 К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС.

 Наиболее важными подсистемами  ОС являются подсистемы управления  процессами, памятью, файлами и  внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

 Прикладному программисту возможности  ОС доступны в виде набора  функций, составляющих интерфейс  прикладного программирования (API).

 В число требований, предъявляемых сегодня к ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность и отказоустойчивость, безопасность и производительность.

Операционная система блестяще справляется со своими обязанностями. На практике одно из основных преимуществ использования ОС заключается в простоте ее понимания, несмотря на функциональную сложность (То есть система рассчитана на выполнение достаточно сложных функций).