Структура и функции ОС

Введение

 

В наше время информационные технологии все прочнее входят в повседневную жизнь, и компьютер стал уже привычной её частью. Для большинства людей, имевших опыт общения с компьютером, слова «иконка», «окно», «рабочий стол», «меню Пуск» стали привычными и понятным, а логотип четырехцветного развевающегося флажка не вызывает удивления. Я хочу сказать, что многие пользователи персональных компьютеров настолько привыкли к Windows, что порой даже не знают о существовании других, альтернативных, операционных систем и уж тем более не задают себе вопрос: «А что такое операционная система и как она работает?» А ведь знание всего этого будет не только полезно в современном обществе, но и может помочь в выборе наиболее удобной и продуктивной «оболочки» для вашего компьютера. Именно поэтому я решил сделать краткий обзор операционных систем, которые используются сегодня вместо привычной всем нам Windows.

В своей работе я пользовался в основном тремя литературными источниками. В учебнике Э. Таненбаума «Современные операционные системы» я брал сведения в основном по истории развития операционных систем. Книгой «Операционные системы, среды и оболочки», авторы которой Партыка Т.Л. и Попов И.И, я пользовался для определения понятия операционной системы и характеристики ОС UNIX. И наконец, книга В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. «Сетевые операционные системы» помогла мне при характеристике основных функций операционной системы и её структуры. Также были использованы различные Интернет ресурсы, например свободная интернет энциклопедия Wikipedia.

Мой реферат состоит из двух основных глав: операционные системы, где я постарался объяснить что же из себя представляет операционная система, как она работает и для чего нужна, и альтернативы Windows, где я рассматриваю непосредственно операционные системы, которые используются вместо Windows. Нужно отметить, что, чтобы не загружать текст повторами и для простоты изложения, в моём реферате я использовал слова «ЭВМ», «машина», «компьютер» как синонимы для обозначения компьютера в нашем сегодняшнем понимании. Сноски на источники я считал уместным делать только в случае точного копирования или взятии специальных сведений, например определений или классификаций. Во всех остальных случаях я лишь опирался на информацию из литературных или интернет источников, пересказывая её своими словам и делая определённые выводы.

В моём реферате не ставится цель выяснить, какая из операционных систем лучше. Цель моей работы не сравнение, а обзор операционных систем. Именно этим я руководствовался при написании реферата. При характеристике каждой операционной системы я постарался обратить внимание на главные её достоинства и недостатки, сферы её использования в наши дни и сделать вывод о конкурентоспособности с Windows.

 

Операционная система

 

Что такое операционная система?

 

Прежде всего, стоит разобраться, что же из себя представляет операционная система (ОС).

Операционная система – это набор программ, обеспечивающий организацию вычислительного процесса на ЭВМ.[1] Говоря простым языком, это программа, предназначенная для того, чтобы скрыть от пользователя все сложности «общения» с компьютером. А сложностей возникает намного больше, чем кажется с первого взгляда. Без помощи ОС даже такая простая операция как запись файла на жесткий диск, которую мы привыкли осуществлять нажатием нескольких клавиш на клавиатуре, для непосвященного человека представляется невозможной. Нужно записать в регистры жёсткого диска адрес места, на который мы хотим сохранить наш файл, адрес в основной памяти, число байтов для сохранения, направление действия, в данном случае запись. И это только, чтобы записать один файл!

Я думаю, становится понятной вся важность изобретения даже самых первых ОС, ведь они позволили избавить человека от общения с аппаратурой напрямую, предоставив программисту более удобную систему команд.

ОС служит связующим звеном между человеком и компьютером, предоставляя пользователю простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс. Действие записи файла на диск тогда представляется более простым, чем когда нужно заботиться о перемещении головок жёсткого диска, ждать пока они установятся на нужное место и т.д.

Здесь дано только общее представление об операционной системе. Далее я предлагаю рассмотреть ОС более подробно.

 

Структура и функции ОС

 

Большинство современных ОС представляют собой модульные системы (т.е. разделяемые на отдельные функциональные части). Конечно же, единой архитектуры ОС не существует, но есть универсальные подходы к структурированию операционных систем. Наиболее общим подходом является разделение всех её модулей на две группы:

· ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;

· модули, выполняющие вспомогательные функции ОС[2].

Модули ядра управляют процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п. Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС большая часть модулей ядра постоянно находятся в оперативной памяти, т.е. являются резидентными

Остальные модули ОС (вспомогательные) выполняют полезные, но не столь обязательные функции, например проверка исправности блоков компьютера, обнаружение отказов устройств и т.п.

Зачастую бывает очень сложно провести границу между программами, входящих в ОС, и простыми приложениями. Считается, что те программы, которые запускаются в режиме ядра (т.е. пользователь не имеет к ним аппаратного доступа) всегда являются частью ОС, вспомогательные же программы запускаются в пользовательском режиме (т.е. пользователь при желании может их изменить)[3].

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов, и крах ядра равносилен краху всей системы, именно поэтому разработчики уделяют особое внимание надежности кодов и защищают их от свободного вмешательства пользователя.

Ну, а теперь перейдём к основным функциям, которые выполняет ОС в целом. Вообще, их можно разделить на две самые важные, это связь между человеком и машиной и управление ресурсами самой машины. Важность первой функции мы уже разобрали выше, а вот на второй стоит остановиться поподробнее.

Современные компьютеры состоят из процессора, памяти, датчиков времени, дисков, мыши, сетевого интерфейса, принтеров и огромного количества других устройств. Так вот, функцией ОС и является организованное и контролируемое распределение ресурсов компьютера между различными программами, состязающимися за право их использовать. Действительно, представьте себе, что случилось бы, если бы на одном компьютере оказались работающими три программы и все они одновременно попытались напечатать свои данные на одном и том же принтере. Скорее всего, первые несколько строк на листе появились бы от первой программы, следующие несколько от второй и т.д. В результате неразбериха полная. ОС наводит порядок в таких ситуациях. Операционная система разрешает доступ сначала только одной программе, а выходные данные другой сохраняет во временном файле и ставит его в очередь на печать. В это время вторая программа продолжает работать, не замечая, что фактически она не посылает данные на принтер. Получается, что ОС как бы «обманывает» программу. Это был пример временного распределения ресурсов. Не менее важным является пространственное распределение. Оно заключается в том, что ОС отводит каждой программе только часть конкретного ресурса, а не весь ресурс целиком. Самым ярким примером, по моему мнению, является распределение нескольких программ в оперативной памяти компьютера. Трудно даже представить, сколько времени бы уходило на обработку команд, если бы каждой программе был предоставлен весь объем оперативной памяти, а все остальные ждали бы своей очереди!

Наличие всех этих функций ещё раз доказывает необходимость и важность операционных систем. Без ОС компьютер для пользователя представляет собой лишь груду металла, к которой невозможно подступиться.

Исходя из основных функций ОС, при её разработке руководствуются определёнными требованиями:

· Модульность;

· Возможность развития программной системы;

· Простота освоения;

· Гибкость и адаптируемость;

· Совместимость программного обеспечения различных ЭВМ в рамках одной аппаратной платформы;

· Минимальность вмешательства человека;

· Параметрическая универсальность;

· Функциональная избыточность (наличие в системе нескольких программ, реализующих одну и ту же функцию);

· Функциональная избирательность (возможность конфигурировать систему под конкретного пользователя).[4]

Можно легко представить, какой долгий и интересный путь прошли ОС в своём развитии, и с какими проблемами сталкивались разработчики, чтобы удовлетворить всем тем требованиям, которые представлены выше.

 

История развития ОС

 

Безусловно, развитие ОС тесно связано с развитием самих ЭВМ. Ранние ЭВМ не предусматривали операционных систем, поэтому все процессы запуска и остановки программ, подсоединение внешних устройств производились вручную. Программирование велось исключительно на машинном языке. В то время машины использовались скорее для научно-исследовательских целей, а не для решения конкретных практических задач. К началу 50-х годов с изобретением перфокарт – специальных карт, на которые переносился алгоритм выполнения программы – ситуация несколько изменилась, но в целом обслуживание и использование ЭВМ оставалось недопустимо сложным.

Первый шаг к облегчению общения с машиной был сделан в конце 50-х годов с изобретением пакетной обработки данных. Идея заключалась в том, чтобы собрать полный пакет заданий (колоду перфокарт), перенести их на магнитную ленту, а затем с помощью специальной программы (прообраза современных ОС) последовательно запустить их на выполнение уже без участия оператора. Такая обработка заданий значительно сократила время на вспомогательные действия организации самого процесса вычисления. Людям теперь не приходилось бегать по залу, чтобы передать результаты обработки данных: они теперь выводились на принтер в автономном режиме (т.е. без связи с главным компьютером). Однако имелся и существенный минус: из-за того, что программисты лишились непосредственного доступа к ЭВМ, времени на исправление ошибок в программах уходило гораздо больше.

Следующим шагом на пути к современным ОС было изобретение принципа многозадачности. Раньше главный процессор мог простаивать большую часть времени, ожидая команды ввода-вывода с магнитной ленты или другого устройства. Естественно, это было очень неудобно, и при коммерческой обработке информации такой простой мог занимать 80% рабочего времени. Решением проблемы стало разбиение памяти на несколько частей, каждой из которых давалось отдельное задание. Теперь процессор не ждал завершения операции ввода-вывода, а переключался на уже готовую к выполнению программу.

Вслед за многозадачностью появился режим разделения времени. Этот режим был рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый пользователь мог работать за своим терминалом. Например, в системе могло быть зарегистрировано двадцать пользователей и, если семнадцать из них думают, пьют кофе или занимаются своими делами, центральный процессор предоставлялся трем пользователям, желающим работать на машине. Однако в таких системах эффективность использования оборудования была ниже, что являлось платой за удобство.

Все эти новшества, естественно, потребовали написание ОС, которые могли бы использоваться как на больших, так и на малых машинах, как с большим количеством периферийных устройств, так и с малым, в коммерческой области и в области научных исследований. Соблюсти все эти требования было очень непросто. Написанные тогда ОС содержали миллионы строк, были очень сложными и содержали тысячи ошибок. Однако и они внесли свой вклад в развитие ОС: некоторые технические приёмы, которые использовались в первых операционных системах, до сих пор живы и присутствуют в современных ОС.

К середине 70-х годов широкое распространение получают мини-компьютеры. Их архитектура была значительно упрощена, а ресурсы ограничены. Всё это нашло отражение и в ОС для таких компьютеров. Они стали более компактными и значительно приблизились к понятиям о современных ОС. Самой распространенной операционной системой того времени была UNIX, историю развития которой мы будем рассматривать позже.

Настоящей революцией было изобретение в начале 80-х годов кремниевых микросхем и как следствие появление первых персональных компьютеров (ПК). С точки зрения архитектуры ПК ничем не отличались от мини-компьютеров, но стоимость их была намного ниже. Это позволило приобретать их не только университетам, предприятиям или правительственным структурам, но и обычным людям. Популярная тогда ОС UNIX была чересчур сложна для использования непрофессионалами. Стояла задача создания дружественного интерфейса, т.е. предназначенного для пользователя ничего не знающего и не желающего что-либо узнать. Тут - то и появилась всем известная MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System). Следует отметить, что изначально MS-DOS имела интерфейс командной строки, который был не слишком удобен. И уже много позже была создана графическая среда для MS-DOS, названная Windows, которая впоследствии сформировалась в самостоятельную ОС. Она - то и воплотила идею графического интерфейса, состоящего из окон, значков, различных меню и мыши.

Из истории развития ОС видно, что главной задачей операционной системы всегда оставалось обеспечение удобного взаимодействия человека с машиной. Кажется, что современные ОС максимально справляются с этой задачей. Однако из года в год появляются всё новые версии ОС, более совершенные и с новыми возможностями, и история развития операционных систем получает всё новое и новое продолжение.

 

Альтернативы Windows

 

ОС UNIX

 

История развития

Изначально UNIX была разработана Кеном Томпсоном – сотрудником фирмы Bell Laboratories в 1969 году как многозадачная система для миникомпьютеров и мэйнфреймов (огромных компьютеров размером с комнату).

Огромную роль в том, что UNIX стала столь популярной, я считаю, сыграла возможность переносить эту систему на различные компьютеры. До этого для каждой конкретной машины программистам приходилось переписывать системы заново, что было, конечно, занятием невесёлым. В UNIX эта проблема была решена. Она была написана на языке высокого уровня – С. Это позволило выпустить всего лишь одну версию ОС, которую можно было затем компилировать (перевести) на различных машинах.

В 1974 году UNIX была передана университетам для «образовательных целей». Причем предоставлялась она с полным комплектом исходных текстов, что предоставляла возможность владельцам без конца подправлять её. Так UNIX нашла коммерческое применение и превратилась в одну из наиболее распространенных ОС. Единственной проблемой было то, что каждый производитель добавлял свои нестандартные усовершенствования, поэтому очень долгое время не могли написать пакет программ для UNIX, чтобы их можно было запустить в любой её версии. Решением этой проблемы стало создание стандарта POSIX, который вобрал в себя наиболее общие процедуры, присущие большинству версий UNIX. Это несколько упростило ситуацию и внесло некое единство в разработку версий UNIX.

На сегодняшний день существует огромное количество клонов системы UNIX, включая Linux, MINIX, System V, Solaries, XENIX, но во всех этих ОС сохранены основные принципы реализации алгоритмов, структуры данных и системных вызовов.

Наиболее интересна из перечисленных ОС Linux. Особенностью этого клона UNIX является её бизнес-модель: это свободно распространяемое ПО. В отличие от Windows, Mac OS и коммерческих UNIX-подобных систем, Linux не имеет географического центра разработки. Нет и организации, которая владела бы этой системой. Программы для Linux — результат работы тысяч проектов. Многие проекты объединяют хакеров со всего света, которые знакомы только по переписке. Создать свой проект или присоединиться к уже существующему может любой и, в случае успеха, результаты работы станут известны миллионам пользователей. Пользователи принимают участие в тестировании свободных программ, общаются с разработчиками напрямую, что позволяет быстро находить и исправлять ошибки и реализовывать новые возможности. Такой подход определяет экономическую эффективность и популярность Linux. Сегодня данная ОС используется во многих устройствах, начиная от мобильных телефонов, маршрутизаторов и заканчивая беспилотными военными аппаратами.

Исходя из многообразия данного семейства ОС, можно сделать вывод о том, какую важную роль сыграла UNIX в развитии операционных систем и без преувеличения назвать её исторически одной из самых важных.