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

Системное ПО предназначено, прежде всего, для обслуживания самого компьютера, для управления работой его устройств. Главной частью системного ПО является операционная система (ОС).

F Операционная система (базовое программное обеспечение ) - это множество программ, дополняющих функции технического обеспечения и реализующих связь пользователей компьютером с его физическими ресурсами.

ОС - это сложная программная система, управляющая работой компьютера. Она организует диалог с пользователем, дает возможность удобного доступа к ресурсам и управляет выполнением всех программ. При включении компьютера происходит загрузка ОС в оперативную память ЭВМ. Точнее говоря, в ОЗУ загружается с магнитного диска ядро ОС, т. е. та часть системы, которая должна постоянно находиться в оперативной памяти, пока работает компьютер. Диск, на котором хранится ОС и с которого происходит ее загрузка, называется системным диском.

Любые операционные системы, независимо от типа, выполняют три основные функции:

– управление устройствами компьютера;

– взаимодействие с пользователем;

– работа с файлами.

ОС MS-DOS поддерживает однозадачный режим работы компьютера, а операционная система Windows поддерживает многозадачный режим. Однозадачный режим работы означает, что в данный момент на компьютере может выполняться только одна программа, запущенная пользователем на исполнение (инициализированная пользователем). И только после того, как выполнение этой программы будет завершено, пользователь может инициализировать другую программу.

Многозадачный режим работы компьютера означает, что пользователь может запустить сразу несколько прикладных программ и работать с ними одновременно. Запущенные программы называются активными задачами, и все они отражаются значками на панели задач Windows. Например, можно одновременно запустить программы «Калькулятор», «Блокнот», «Paint»; на экране появятся окна этих программ. Пользователь, переходя из одного окна в другое, может поочередно работать с этими приложениями. При таких переходах предыдущая программа не закрывается, т. е. не выгружается из оперативной памяти, и в любой момент готова продолжить свою работу, как только пользователь вернется в ее окно.

Нередко встречается такая ситуация, когда одна из запущенных программ требует длительного времени для своей работы. Например, большие математические вычисления или проверка дисков на наличие вирусов. В таком случае эта программа выполняется в фоновом режиме, т. е. ее исполнение не прекращается до полного завершения, а в это же время (на ее фоне) пользователь может выполнять какую-то оперативную работу с другими программами, например, может набирать текст в текстовом редакторе.

В поддержке многозадачного режима работы проявляется одна из сторон управляющей функции операционной системы: управление процессором и оперативной памятью. Для одновременного выполнения нескольких программ операционная система должна разделять между ними время работы процессора, следить за размещением этих программ и данных в памяти так, чтобы они не мешали друг другу (разделять память).

Управление внешними устройствами компьютера - еще одна из сторон первой функции ОС. В состав операционной системы входят специальные программы управления внешними устройствами, которые называются драйверами внешних устройств. Для каждого типа и каждой конкретной модели внешнего устройства существует свой драйвер. Иногда ОС автоматически подбирает подходящий драйвер, иногда об этом приходится заботиться пользователю.

Научиться работать на компьютере - это значит, прежде всего, научиться взаимодействовать с операционной системой. Обычно пользователь, привыкший работать в среде какой-то определенной ОС, сталкиваясь с незнакомой ему системой, с непривычной обстановкой на экране, испытывает растерянность. В компьютерной терминологии для обозначения способа, взаимодействия программы с пользователем принят термин пользовательский интерфейс. Очень удобно, когда пользовательский интерфейс унифицирован. Примером такого унифицированного интерфейса является среда диалоговой оболочки Norton Commander (NC). Ее аналоги реализованы в различных операционных системах. Не очень грамотный пользователь может и не знать, с какой ОС он работает, но ориентироваться в интерфейсе NC. Примером другого унифицированного системного интерфейса является «Рабочий стол» Windows. Это объектно-ориентированная графическая среда. С появлением новых версий ОС Windows она может в чем-то совершенствоваться, но основные принципы будут сохраняться для соблюдения преемственности, для удобства пользователя.

Основные пользовательские навыки работы с операционной системой сводятся к следующему:

– уметь находить нужную программу и инициализировать ее выполнение;

– уметь выполнять основные операции с файлами: копировать, переносить, удалять, переименовывать, просматривать содержимое файлов;

– получать справочную информацию о состоянии компьютера, о заполнении дисков, о размерах и типах файлов.

Общение операционной системы с пользователем происходит в диалоговом (интерактивном) режиме в форме:

<Приглашение ОС> - <Команда, отдаваемая пользователем>

Такая схема универсальна. Однако в зависимости от используемого интерфейса, как форма приглашения, так и способ передачи команды могут быть разными. Если работа происходит без использования какой-либо удобной диалоговой оболочки, то общение пользователя с ОС производится через командную строку. Такое возможно, например, при работе с MS-DOS. На экране в командной строке появляется символьный курсор, указывающий на то, что система готова к приему команды. Обычно в командной строке еще указывается текущий диск и текущий каталог, с которым может работать ОС. Такое состояние командной строки пользователь должен воспринимать как приглашение системы к вводу команды. Далее пользователь через клавиатуру вводит нужную команду. При этом он должен точно соблюдать синтаксис команды, иначе она не будет воспринята. Например:

С:\> сору filel.txt A:\file2.txt

Перед значком «>» стоит информация, выводимая с приглашением ОС, которая указывает на текущий диск (С) и текущий каталог (корневой). После значка «>» записана команда, которую ввел пользователь. Ее смысл: скопировать файл с именем filel.txt с текущего диска и каталога в корневой каталог диска А под новым именем file2.txt.

Совокупность команд, которые понимает операционная система, составляет язык команд ОС. В таком режиме общения - режиме командной строки, пользователь должен знать язык команд со всеми подробностями его синтаксиса. Сейчас весьма редко работают на ПК в режиме командной строки. Основным средством общения являются диалоговые оболочки. Но, независимо от того, используется диалоговая оболочка или нет, у любой ОС существует свой язык команд.

Работая с диалоговой оболочкой, пользователь также формирует команды ОС, только при этом он использует вспомогательные средства, упрощающие его работу. При работе с оболочками признаком приглашения ОС является появление на экране среды (интерфейса) оболочки: панелей NC или Рабочего стола Windows. Пользователь отдает команды путем выбора из представленных на экране меню нажатием функциональных клавиш или каких-либо групп клавиш. Использование оболочек освобождает пользователя от необходимости знать подробности синтаксиса языка команд ОС. Однако пользователь должен понимать, какие именно команды он может отдать и как это сделать. Интерфейс современных оболочек ОС достаточно дружественен к пользователю. В нем применяются многочисленные формы подсказок и пояснений.

Третья функция операционной системы - работа с файлами. Эта работа осуществляется с помощью раздела ОС, который называется файловой системой. При работе с MS-DOS имя файла может содержать не более 8 символов - латинских букв и цифр; для Windows имя файла может быть более длинным (до 255 символов) и допускает использование русских букв.

Все файлы в компьютере, как и информация, делятся на два типа: программные (их еще называют исполняемыми файлами) и файлы данных. Память жесткого диска (винчестера) может делится на части (логические диски), каждой из которых присваивается свое имя (С:, D: и т. д.), т. е. в этом случае различают понятия физического и логического дисков. Если же компьютер обладает только накопителями для дискет, то можно просто говорить о дисках А: или В:, не употребляя эпитеты «логический» или «физический».

Понятие «дерева» каталогов характерно для операционных систем, работающих с иерархическими файловыми структурами (MS-DOS и Windows). Иерархические структуры - это один из распространенных способов организации данных (наряду с сетевым и табличным). Наглядное представление о файловой структуре дает дерево - графическое отображение иерархии каталогов (папок) на диске. Единственный путь перехода из одного подкаталога в другой, это возврат (движение вверх по «дереву»), а затем движение вниз по новому направлению. Таким образом, полное имя файла в ОС WINDOWS включает имя диска, путь к файлу на диске и собственно имя и расширение файла.

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.

Операционная система

Все многообразие программ, используемых на современном компьютере, называется программным обеспечением - ПО (software).

Программы, составляющие ПО, можно разделить на три группы: системное ПО, системы программирования, прикладное ПО. Ядром системного ПО является операционная система (ОС).

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

Основные функции операционной системы:

• 1. Обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами (терминалами, принтерами, гибкими дисками, жесткими дисками и т.д.). Такой обмен данными называется "ввод/вывод данных".
• 2. Обеспечение системы организации и хранения файлов.
• 3. Загрузка программ в память и обеспечение их выполнения.
• 4. Организация диалога с пользователем.

ОС – это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

Состав операционной системы.

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС)- управляет работой программы и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по разному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Загрузка ОС. Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС). Известно, что для их выполнения программы - и, следовательно, файлы ОС - должны находится в оперативной памяти (ОЗУ). Однако, чтобы произвести запись ОС в ОЗУ, необходимо выполнить программу загрузку, которой сразу после включения компьютера в ОЗУ нет. Выход из этой ситуации состоит в последовательной, поэтапной загрузке ОС в оперативную память.

Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память, ROM-Read Only Memory - память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестирования блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они начинают выполнятся с первым импульсом тока при включении компьютера. На этом этапе процессор обращаются к диску и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы - загрузчика. Если эта программа обнаружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление.

Второй этап загрузки ОС. Программа - загрузчик, в свою очередь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление.

Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считывает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команды пользователя.

Заметим, что в оперативной памяти во время работы компьютера обязательно должны находится базовый модуль ОС и командный процессор. Следовательно, нет необходимости загружать в оперативную память все файлы ОС одновременно. Драйверы устройств и утилиты могут подгружаться в ОЗУ по мере необходимости, что позволяет уменьшать обязательный объем оперативной памяти, отводимый под системное программное обеспечение.

Первая задача ОС – организация связи, общения пользователя с компьютером в целом и его отдельными устройствами. Такое общение 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.

Вторая задача ОС – организация взаимодействия всех блоков компьютера в процессе выполнения программы, которую назначил пользователь для решения задачи. В частности, ОС организует и следит за размещением в оперативной памяти и на диске нужных для работы программы данных, обеспечивает своевременное подключение устройств компьютера по требованию программы и т.п.

Третья задача ОС – обеспечение так называемых системных работ, которые бывает необходимо выполнить для пользователя. Сюда относится проверка, “лечение” и форматирование диска, удаление и восстановление файлов, организация файловой системы и т.п. Обычно такие работы осуществляются с помощью специальных программ, входящих в ОС и называемых утилитами.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны.

ОС обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.

Этот процесс называют загрузкой ОС.

В функции ОС входит:

• - осуществление диалога с пользователем;
• - ввод-вывод и управление данными;
• - планирование и организация процесса обработки программ;
• - распределение ресурсов (оперативной памяти, процессора, внешних устройств);
• - запуск программ на выполнение;
• - всевозможные вспомогательные операции обслуживания;
• - передача информации между различными внутренними устройствами;
• - программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, принтера и др.).

ОС можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера.

В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

• 1. однопользовательские однозадачные , которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;
• 2. однопользовательские однозадачные с фоновой печатью , которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную как правило, на вывод информации на печать.
• 3. однопользовательские многозадачные , которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач.
• 4. многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям.

ОС для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

• - программы управления вводом/выводом;
• - программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;
• - процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные ОС.

В каждой ОС имеется свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия:

• - обращаться к каталогу;
• - выполнять разметку внешних носителей;
• - запускать программы;
• - … и другие действия.

Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор ОС.

Важным классом системных программ являются драйверы устройств.

Для управления внешними устройствами компьютера используются специальные системные программы – драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввод-вывод (BIOS ), которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера.

Нередко к системным программам относят антивирусные средства, программы архивирования файлов и т.п.

Второй класс программ – это прикладные программы. Здесь нет единой точки зрения, какие именно программы относятся к этому классу. Обычно прикладной называют любую программу, позволяющую пользователю без программирования решать определенный класс задач

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

Существуют несколько наиболее распространенных ОС.

Например, MS-DOS расшифровывается как дисковая операционная система. Разработчиком MS-DOS является Корпорация Microsoft.

Краткая история создания MS-DOS

Первой разработкой MS-DOS можно считать операционную систему для персональных ЭВМ, созданную фирмой Seattle Computer Products в 1980 г. В конце 1980 г. система, первоначально названная QDOS, была модифицирована и переименована в 86-DOS. Право на использование операционной системы 86-DOS было куплено Корпорацией Microsoft, заключившей контракт с фирмой IBM, обязуясь разработать операционную систему для новой модели персональных компьютеров, выпускаемых фирмой. Когда в конце 1981 г. новый компьютер IBM PC приобрел широкую популярность, его операционная система представляла собой модифицированную версию системы 86-DOS, названную PC-DOS, версия 1.0.

Вскоре после выпуска IBM-PC на рынке стали появляться персональные компьютеры "схожие с РС". Операционная система этих компьютеров называлась MS-DOS, версия 1.0. Корпорация Microsoft предоставила в распоряжение фирм, производящих эти машины, точную копию операционной системы PC-DOS - широко теперь применяемую MS-DOS.

С момента выпуска операционные системы PC-DOS и MS-DOS усовершенствовались параллельно и аналогичным образом. в 1982 году появились версии 1.1. Главным преимуществом новой версии была возможность использования двухсторонних дискет (версия 1.0 позволяла работать только с односторонними дискетами), а также возможность пересылки принтеровского вывода на другие устройства.

В 1983 году были разработаны версии 2.0. По сравнению с предыдущими они давали возможность использовать жесткий диск, обеспечивали усложненный иерархический каталог диска, включали встроенные устройства для дискет и систему управления файлами.

MS-DOS версии 3.0, выпущенная в 1984 году, предоставляла улучшенный вариант обслуживания жесткого диска и подсоединенных к компьютеру микрокомпьютеров. Последующие версии, включая 3.3 (появившуюся в 1987 году), развивались в том же направлении.

MS-DOS версии 5.0 предоставляет возможность использования памяти расположенной выше 1M.

В MS-DOS версии 6.0 расширены возможности использования памяти расположенной выше 1M, добавлена утилита оптимизации использования памяти Добавлено средство увеличения эффективного дискового пространства. В комплект поставки включены утилиты проверки и оптимизации жесткого диска.

Оболочки – это программы, созданные для упрощения работы со сложными программными системами, такими, например, как DOS . Они преобразуют неудобный командный пользовательский интерфейс в дружественный графический интерфейс или интерфейс типа “меню”. Оболочки предоставляют пользователю удобный доступ к файлам и обширные сервисные услуги.

Самая популярная у пользователей оболочка Norton Commander . Она обеспечивает:

• · создание, копирование, пересылку, переименование, удаление, поиск файлов, а также изменение их атрибутов;
• · отображение дерева каталогов и характеристик входящих в них файлов в форме, удобной для восприятия человека;
• · создание, обновление и распаковку архивов (групп сжатых файлов);
• · просмотр текстовых файлов;
• · редактирование текстовых файлов;
• · выполнение из ее среды практически всех команд DOS ;
• · запуск программ;
• · выдачу информации о ресурсах компьютера;
• · создание и удаление каталогов;
• · поддержку межкомпьютерной связи;
• · поддержку электронной почты.

В начале 90-х годов во всем мире огромную популярность приобрела графическая оболочка MS - Windows 3. x , преимущество которой состоит в том, что она облегчает использование компьютера, и ее графический интерфейс вместо набора сложных команд с клавиатуры позволяет выбирать их мышью из меню практически мгновенно. Операционная система Windows , работающая совместно с операционной системой DOS , реализует все режимы, необходимые для производительной работы пользователя, в том числе – многозадачный режим.

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем. В большинстве вычислительных систем операционные системы являются основной частью системного программного обеспечения.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера - на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Она скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Основные функции операционных систем:

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, компакт-диск и т. д.), организованным в той или иной файловой системе.

Пользовательский интерфейс.

Сетевые операции, поддержка стека протоколов.

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

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.

Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами. В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

Однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

Однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

Многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти операционные системы очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

Наиболее распространенными операционными системами являются:

Mac OS – операционная система корпорации Apple.

OS/2 - операционная система фирмы IBM.

Windows - операционная система корпорации Microsoft.

Linux - общее название Unix-подобных операционных систем на основе одноимённого ядра и собранных для него библиотек и системных программ, разработанных в рамках проекта GNU.