Функции операционной системы в вычислительной системе

Операционная система является наиболее важной и наиболее сложной программной компонентой любого компьютера. Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей ВС в целом. Можно привести множество примеров применения вычислительной техники, для которых ОС не нужны. Например, встроенные процессоры сегодня имеются во многих бытовых устройствах, работающих в жестком однопрограммном режиме. Программа, которая бы управляла такой программой, не нужна. Операционные системы нужны,

1) если вычислительная система используется для решения различных задач, причём выполняющиеся программы нуждаются в сохранении и обмене данными. Из этого следует необходимость универсального механизма межпрограммного взаимодействия и сохранения данных;

2) различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же стандартных операций. Для этого ОС должна предоставлять системные библиотеки часто используемых подпрограмм, реализующих эти операции;

3) между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от посторонних, а возможная ошибка в программе не вызывала необходимость перезагрузки компьютера. Следовательно, ОС должна предоставлять механизмы разделения доступа к ресурсам машины;

4) необходима возможность «одновременного» исполнения нескольких программ на компьютере даже с единственным процессором;

5) наконец, пользователи должны иметь возможность управлять программами во время их выполнения. Для этого ОС должна предоставлять интуитивно понятный интерфейс, реализованный с помощью специальных оболочек и набора стандартных утилит.

Требования к операционным системам очень разнообразны. Можно выделить основные функции, характерные для ранних и простейших ОС, и дополнительные, характерные для развитых современных ОС.

По современным представлениям ОС должна уметь выполнять следующие основные функции:

· обеспечивать загрузку программ в оперативную память и их исполнение;

· обеспечивать управление памятью. В простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой (в многопроцессных системах это сложная задача управления системными ресурсами);

· обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски и оптические диски, флэш–память и т. д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные в виде файловых систем;

· предоставлять стандартизованный доступ к периферийным устройствам;

· предоставлять пользователям удобный и понятный интерфейс взаимодействия с ОС.

На этом функции простейших ОС типа MS–DOC практически заканчиваются. Более развитые ОС предоставляют также следующие дополнительные возможности:

· параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач;

· организацию взаимодействия задач друг с другом;

· организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов;

· защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ;

· аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка того, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.

Для выполнения расширенных функций нужно, чтобы ОС обладала повышенными привилегиями по отношению к другим программам, например, для того чтобы разрешать конфликты между приложениями. Другими словами, система должна быть недоступна для посторонних приложений, но одновременно знать обо всех действиях параллельно выполняющихся программ. Отсюда следует, что некоторые части ОС (или целиком) должны работать в привилегированном режиме, а приложения – в пользовательском. Для этого требуются специальные средства аппаратной поддержки, обеспечивающие как минимум два режима: пользовательский (user mode) и привилегированный, который также называют режимом ядра (kernel mode) или режимом супервизора (supervisor mode). В пользовательском режиме некоторые привилегированные команды, такие как запрет и разрешение прерываний, выполнить невозможно. Если код все же пытается выполнить привилегированную операцию, процессор генерирует исключение. В режиме ядра выполнение той же команды происходит без помех. Управление от непривилегированного программного обеспечения к привилегированному передается всегда под строгим контролем.

Практически все функции современных вычислительных систем сводятся к обработке внешних событий. Единственная категория приложений, для которых внешние события совершенно неактуальны, – это вычислительные задачи. Доля таких задач в общем объеме компьютерных приложений постоянно падает, в то время как доля интерактивных приложений, наоборот, неуклонно растет. Интерфейс пользователя с операционной системой реализуется с помощью специальных программных модулей, которые принимают его команды и транслируют их в обычные вызовы в соответствии с основным интерфейсом системы.

В системах с интерфейсом, осуществляемым из командной строки, эти модули называют интерпретаторами команд. Так, например, функции такого интерпретатора в MS DOS выполняет модуль command.com, в Unix–системах аналогичные функции выполняет оболочка Shell, в OS Windows–программа cmd.exe. Получив от пользователя команду, такой модуль ОС после лексического и синтаксического анализа либо сам выполняет запрошенное действие, либо обращается к другим модулям операционной системы.

В современных ОС взаимодействие пользователя с ОС происходит, как правило, через графический интерфейс (GUI). Средства организации графического интерфейса пользователя обеспечивают формирование окон и элементов управления, обработку команд пользователя, поступающих через клавиатуру и мышь. Щелчок кнопки мыши эквивалентен вводу команды в интерпретаторе команд. Графический интерфейс анализирует щелчки, а затем вызывает для обработки интерпретатор команд.

По мере развития аппаратных средств вычислительной техники функции операционных систем непрерывно расширяются, а средства их исполнения совершенствуются. Каждая из функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся структурным компонентом ОС. В каждой операционной системе эти функции реализованы по–своему и в различном объеме. Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях: внутренних и внешних. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций; внешние – определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

Независимо от того, какой набор функции реализован в ОС, она должна удовлетворять определенным эксплуатационным требованиям. Одним из таких требований является надежность ОС. От стабильности (надежности) работы операционной системы и отдельных ее модулей зависит то, насколько хорошо будут работать компьютер и отдельные его компоненты. Операционные системы – очень сложные программные комплексы, и потому ошибки в них неизбежны. В Windows 95 было выявлено более 6000 ошибок, прежде чем в продаже появилась Windows 98.

Любопытным является высказывание теоретика программирования Э. Дейкстры: «Программы, которые не содержат ошибок, – никому не нужны». Это надо понимать так: написать программу без ошибок возможно, но не слишком сложную и потому обладающую скромными возможностями. Следовательно, ценность такой программы мала. В сложной программе содержится как минимум одна ошибка – это аксиома. Операционные системы Windows 2000 и Windows XP, которые позиционируются на рынке программного обеспечения как наиболее надежные, регулярно подвергаются исправлениям, и это вполне нормально.