Сущность операционных систем

 Содержание 
 

    Введение  

    Как известно, процесс проникновения  информационных технологий практически  во все сферы человеческой деятельности продолжает развиваться и углубляться. Помимо уже привычных и широко распространенных персональных компьютеров, общее число которых достигло многих сотен миллионов, становится все больше и встроенных средств вычислительной техники. Пользователей всей этой разнообразной вычислительной техники становится все больше, причем наблюдается развитие двух вроде бы противоположных тенденций. С одной стороны, информационные технологии все усложняются, и для их применения, и тем более дальнейшего развития, требуется иметь очень глубокие познания. С другой стороны, упрощаются интерфейсы взаимодействия пользователей с компьютерами. Компьютеры и информационные системы становятся все более дружественными и понятными даже для человека, не являющегося специалистом в области информатики и вычислительной техники. Это стало возможным, прежде всего потому, что пользователи и их программы взаимодействуют с вычислительной техникой посредством специального (системного) программного обеспечения – через операционную систему.

    Операционная  система предоставляет интерфейсы и для выполняющихся приложений, и для пользователей. Программы пользователей, да и многие служебные программы запрашивают у операционной системы выполнение тех операций, которые достаточно часто встречаются практически в любой программе. К таким операциям, прежде всего, относятся операции ввода-вывода, запуск или останов какой-нибудь программы, получение дополнительного блока памяти или его освобождение и многие другие. Подобные операции невыгодно каждый раз программировать заново и непосредственно размещать в виде двоичного кода в теле программы, их удобнее собрать вместе и предоставлять для выполнения по запросу из программ. Это и есть одна из важнейших функций операционных систем. Прикладные программы, да и многие системные обрабатывающие программы, не имеют непосредственного доступа к аппаратуре компьютера, а взаимодействуют с ней только через обращения к операционной системе. Пользователи также путем ввода команд операционной системы или выбором возможных действий, предлагаемых системой, взаимодействуют с компьютером и своими программами. Такое взаимодействие осуществляется исключительно через операционную систему.

    «Операционная система персонального компьютера. Функции операционных систем, классификация и назначение. Файловая структура данных» - тема рассмотрения данной контрольной работы по информатике

    1. Сущность операционных систем 

    Существуют две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система. Чаще всего используется следующее определение: 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. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

      Операционные  системы нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция - тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);
• оператор должен иметь возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды - оболочка и наборы утилит  они могут являться частью операционной системы.

      Таким образом, современные универсальные  операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как: использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным), многопользовательские (с разделением полномочий), многозадачные (с разделением времени).

      Многозадачность и распределение полномочий требуют  определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

      Ядро - центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра. Как основополагающий элемент операционной системы, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС. Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами.

      Большинство программ, как системных (входящих в  операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием. В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). 

    2. Функции операционных  систем 

      Основные  функции:

• Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
• 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.
• Сохранение информации об ошибках системы.

      Дополнительные  функции:

• Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач.
• 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 или приложений.
• Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

    3. Классификация операционных  систем 

      Операционная  система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ, то есть это совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем.

      Широко  известно высказывание, согласно которому любая наука начинается с классификации. Само собой, что вариантов классификации может быть очень много, здесь все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект мы будем отличать от другого. Однако, что касается операционной системы, здесь уже давно сформировалось относительно небольшое количество классификаций: по назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и, наконец, по способам построения (архитектурным особенностям системы).

      Прежде  всего, традиционно различают операционные системы (далее ОС) общего и специального назначения. ОС специального назначения, в свою очередь, подразделяются на ОС для носимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т.п. Еще не так давно операционные системы для персональных компьютеров относили к ОС специального назначения. Сегодня современные мультизадачные ОС для персональных компьютеров уже многими относятся к ОС общего назначения, поскольку их можно использовать для самых разнообразных целей – так велики их возможности.

      По  режиму обработки задач различают  ОС, обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный (мультизадачный) режимы. К однопрограммным ОС относится, например, всем известная, хотя нынче уже практически и не используемая MS DOS. Под мультипрограммированием понимается способ организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода-вывода данных) используется для выполнения других (таких же либо менее важных) программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме, причем, вообще говоря, термины «мультипрограммный режим» и «мультизадачный режим» – это не синонимы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие этих терминов заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной работы (эти функции берет на себя сама ОС; именно она распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие). Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. Хотя в современной технической и тем более научно-популярной литературе об этом различии часто забывают и тем самым вносят некоторую путаницу.

      Можно, однако, заметить, что современные  ОС для персональных компьютеров реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режимы.

      Если  принимать во внимание способ взаимодействия с компьютером, то можно говорить о диалоговых системах и системах пакетной обработки. Доля последних хоть и не убывает в абсолютном исчислении, но в процентном отношении она существенно сократилась по сравнению с диалоговыми системами.

      При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных) и мультитерминальных ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется собственная вычислительная система. Очевидно, что для организации мультитерминального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминальных операционных систем для персональных компьютеров можно назвать Linux. Некая имитация мультитерминальных возможностей имеется и в системе Windows XP. В этой операционной системе каждый пользователь после регистрации (входа в систему) получает свою виртуальную машину. Если необходимо временно предоставить компьютер другому пользователю, вычислительные процессы первого можно не завершать, а просто для этого другого пользователя система создает новую виртуальную машину. В результате компьютер будет выполнять задачи и первого, и второго пользователя. Количество параллельно работающих виртуальных машин определяется имеющимися ресурсами.

      Основной  особенностью операционных систем реального  времени (ОСРВ) является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не является планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования событий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В то время как в ОС, не предназначенных для решения задач реального времени, имеются некоторые накладные расходы процессорного времени на этапе инициирования задач (в ходе которого ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своих задач, загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходимые для ее выполнения ресурсы), в ОСРВ подобные затраты могут отсутствовать, так как набор задач обычно фиксирован, и вся информация о задачах известна еще до поступления запросов. Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для персональных компьютеров является ОС QNX.

      По  основному архитектурному принципу операционные системы разделяются на микроядерные и макроядерные (монолитные). В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX, тогда как в качестве монолитной можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Если ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам недоступны его исходные коды и у нас нет программы для сборки (компиляции) этого ядра, то в случае с Linux мы можем сами собрать то ядро, которое нам необходимо, включив в него те программные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (ведь к ним можно обращаться и из ядра). 

    4. Операционные системы корпорации Microsoft 

    DOS

    20-летняя  история операционных систем  интересна и поучительна, исполнена драматических событий и героизма, подвигов и предательства. А началась она именно с DOS. Точнее - с первой версией этой ОС, выпущенной корпорацией Microsoft в 1981 г. и предназначенной для поставки с компьютерами IBM PC¹ . Кстати, немногие сегодня помнят, что MS-DOS отнюдь не была оригинальной разработкой самой Microsoft: компания Билла Гейтса лишь доработала «операционку» под названием QDOS, созданную компанией Seattle Computer Products. 16-разрядная однозадачная операционная система DOS обладала «интерфейсом командной строки», т. е. все команды пользователю приходилось набирать на клавиатуре вручную, в командной строке ОС. Никакой графики. Никакого сервиса... Однако DOS процветала на протяжении 10 лет. У Microsoft даже появились конкуренты в виде фирм Novell, Digital Research и... IBM. Каждая из этих компаний выпустила свою версию DOS, которые во многом превосходили продукт Microsoft. В частности, Novell DOS пользовалась заслуженной популярностью, как превосходная сетевая ОС, продукт IBM обладал лучшими сервисными возможностями.

    Конечно, со временем DOS совершенствовалась и пополнялась новыми программами. С каждой новой версии она поддерживала все больше типов устройств. Однако главные ее недостатки не были, да и не могли быть устранены.

    Главным уязвимым местом DOS оставалась работа с оперативной памятью. Дело в том, что в эпоху создания MS-DOS оперативная память большинства компьютеров не превышала 256 килобайт. DOS могла работать с 640 килобайтами оперативной памяти, и Билл Гейтс утверждал, что никому и никогда не понадобится больший объем.

    Но  время шло... Память на компьютерах  потихоньку росла -1 Мбайт, 2 Мбайта... Появились программы, которым требовался для работы весь объем оперативной памяти. Стандартный же сервис DOS этой возможности не предоставлял. Поэтому приходилось использовать специальные программы - менеджеры памяти. Но и они не могли заставить упрямую DOS размещать загружаемые при включении компьютера программы вне «области 640 килобайт». Возникал парадокс: сколько бы оперативной памяти ни имел ваш компьютер, вы не могли запустить программу, если у вас не имелось достаточно свободного пространства в стандартной памяти - той самой области 640 килобайт...

    Вторым  недостатком DOS была невозможность работы в полноценном графическом режиме, хотя «железо» тогдашних компьютеров уже могло бы обеспечить его поддержку. Дело в том, что DOS практически не позволяла работать с загружаемыми драйверами для различных видеокарт. Между тем в конце 80-х годов графический режим стал уже стандартным для таких компьютеров, как Apple Macintosh - благодаря чему эти компьютеры превратились в стандарт «издательского» компьютера. «Писюки» же могли похвастаться только такими текстовыми «оболочками», как знаменитый файловый менеджер Norton Commander, а потому воспринимались скорее как дорогие игрушки.

    Наконец, третьим препятствием на пути MS-DOS стала однозадач-ность. Все больше и больше людей желало запускать на своем компьютере сразу несколько программ с возможностями переключения между ними - a DOS при всем желании этого обеспечить не могла, в отличие от ОС тех же компьютеров Macintosh. В результате, с появлением Windows 95, DOS практически сошла со сцены, хотя до сих пор установлена на наших компьютерах в качестве составляющей ядра Windows. А в 1999 году IBM даже выпустила новую версию - DOS 2000.

    Windows 3.1/3.

    Первая  версия Windows вышла в свет в конце 80-х годов и осталась совершенно незамеченной. Аналогичная участь постигла и следующую версию - лишь версия Windows 3.0 (1992) сумела пробить себе дорогу к сердцам пользователей и стать «продуктом года». А еще через два года на свет появились версии 3.1 и 3.11 (последняя включала такой значительный элемент, как полную поддержку мультимедиа и работу в локальной сети - потому и носила уточняющее название Windows For Workgroups), окончательно утвердившие господство Windows на Олимпе операционных систем.

    Хотя  вопрос о том, а были ли первые версии Windows ПОЛНОЦЕННОЙ операционной системой, до сих пор остается открытым. Ведь устанавливалась Windows поверх уже имеющейся на компьютере «опера-ционки» - DOS - и лишь расширяла ее возможности. Фактически, она представляла из себя лишь графическую оболочку, настройку над установленным на компьютере комплектом MS-DOS. Однако корпорация Microsoft с самого начала предпочитала позиционировать Windows как ОС - имидж прежде всего! Согласны с Microsoft и многие профессиональные программисты - например, Эндрю Шульма, автор книги «Неофициальная Windows 98» (на эту книгу мне указал один из моих читателей, за что ему огромное спасибо).

    Неудивительно, что многие опытные пользователи, подобно процитированному в эпиграфе Джону Двораку, отнеслись к Windows, как к модной игрушке. Однако со временем достоинства этой «оболочки» проявлялись все явственнее - полноценный графический интерфейс, позволявший пользователю избавится от лицезрения скучных списков файлов, а команды отдавать простым щелчком мыши по ярким иконкам...

    Появилась пусть примитивная, но многозадачность  - хотя число одновременно запускаемых приложений было ограничено двумя-тремя, запустить больше не позволяло малое количество оперативной памяти.

    А самое главное - исчез пресловутый барьер 640 кбайт, и компьютер смог наконец-то использовать всю установленную на нем оперативную память.

    Однако  «в ложке меда не обошлось без бочки  дегтя»: Windows отличалась своей редкостной неустойчивостью, частыми «зависаниями» и большим количеством ошибок. Это было связано с тем, что программам в Windows приходилось жить в общем, пространстве, затевая настоящую драку по поводу того, кому достанется большее количество оперативной памяти или мощности процессора, т. е. модель многозадачной работы в Windows была упрощенной...

    И, тем не менее к середине 90-х годов компьютеров, не оснащенных Windows 3.1, в мире осталось не так уж много...

    Windows NT

    Одновременно  с линией «домашних» ОС Microsoft разрабатывала и другие операционные системы, рассчитанные на корпоративных пользователей, на работу в локальных компьютерных сетях. Первоначальным кандидатом на занятие этой ниши была OS/2, но, как известно, в скором времени эта ОС «вышла из доверия» и была отдана на откуп IBM. Тогда-то на арене и появилась Windows NT (Windows New Technology)...

    32-разрядная  Windows NT, первая версия, которой появилась на рынке в 1993-м, а последняя - в 1998 году, с самого начала создавалась как сверхстабильная, надежная система, рассчитанная, прежде всего на работу, а не на разные игрушки-развлечения. И в этом смысле Windows 98/МЕ может ей только позавидовать: случаи ошибок, крахов и «зависаний» при работе в Windows NT встречаются крайне редко. Происходит это потому, что NT, как и OS/2, заботится о надежном разделении работающих под ее управлением программ, не давая им «драться» за ресурсы. В Windows 3.1/98/ME каждая из загруженных программ чувствовала себя в оперативной памяти полновластным хозяином, считая себя вправе претендовать на любой ее объем и любую область. Принцип «в тесноте да не в обиде» тут не срабатывал - нередко по-молодецки разгулявшиеся в памяти программы устраивали буйную потасовку, в результате которой оперативная система «зависала». NT же учинила у себя настоящую «диктатуру», разведя все задачи и процессы по отдельным «камерам». При этом, в качестве «пайка», каждому «узнику» выделялась своя доля адресного пространства оперативной памяти и системных ресурсов.

    Более того - NT пошла еще дальше. В отличие от Windows 98/МЕ она безусловно запрещает безоговорочный доступ к ресурсам компьютера любым программам, пытающимся работать с «железом» напрямую.

    Это позволяет системе избежать конфликтов (с которыми так хорошо знакомы  пользователи «домашних» Windows), однако в результате работать под NT отказываются любые программы, написанные под DOS, и многие созданные для Windows 95. Кроме того, «аппетиты» Windows NT в отношении ресурсов компьютера вдвое выше, чем Windows 98.

    Наконец, следует учитывать и тот факт, что большая часть достоинств NT проявляется лишь в сетевом режиме работы - т. е. в связке с другими компьютерами. И хотя на Западе «домашние сети» становятся явлением обыденным, нашей стране до этого еще очень далеко. Сегодня под управлением Windows NT и ее преемницы Windows 2000 работает большинство рабочих станций и серверов в крупных локальных сетях на предприятиях всего мира. Однако потихоньку «дозревает» до нее и домашний рынок. Ведь спрос на стабильные и надежные операционки, к числу которых нельзя отнести ни Windows 95, ни Windows 98, постоянно возрастает, а старые программы для DOS постепенно исчезают с компьютеров даже самых закоренелых ретроградов.

    Windows 95

    Легенды об этой ОС начали ходить задолго до ее рождения. Последнее, кстати говоря, должно было состояться еще в 1994 году - именно тогда появились официальные сообщения о завершении разработки новой ОС, получившей название Chicago. Однако время представления «Чикаго» жаждущей общественности постоянно откладывалось, корпорация Microsoft делала обнадеживающее заявление за заявлением... Казалось, что это никогда не кончится...

    Однако  в августе 1995 года. Windows 95 все-таки вышла в свет. Причем сделала это с грандиозной, невиданной ранее рекламной шумихой и помпой. В ту августовскую ночь по всей Америке гремели фейерверки. Страна была охвачена празднествами - можно было подумать, что отмечали не выход новой программы, а, скажем, День независимости. Телевидение показывало - вы не поверите! -- гигантские очереди в компьютерных магазинах, в которых стояли сотни людей, жаждущих наконец-то установить на свой компьютер новую ОС...

    Так что же представляла собой эта  загадочная, великая и новаторская  операционная система, что было в ней такого, что смогло свести с ума весь мир?

    Начать  с того, что впервые Windows превратилась из графической надстройки для DOS в полноценную операционную систему. По крайней мере, так заявляли ее разработчики. На самом же деле все было сложнее: в качестве основы в Windows 95 по-прежнему использовалась добрая старая DOS. Чуть модернизированная, конечно, и не заявленная в качестве отдельного продукта... Впрочем, большинство потребителей такой вариант устраивал. Ведь у них оставалась возможность работать в привычном им DOS-режиме, не загружая графическую оболочку Windows, - и, следовательно, не расставаться с привычными DOS-программами.