Функции и состав операционных систем

РАЗДЕЛ 1: ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

ТЕМА 1.1: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ

СИСТЕМАХ

Вопросы:

1. Понятие операционной системы. Назначение и функции операционной системы.

2. Состав, взаимодействие основных компонентов операционной системы. Типы операционных систем.

 

Программное обеспечение компьютера (ПО) разделяется на общесистемное и прикладное.

Прикладное программное обеспечение в свою очередь делится на средства разработки и приложения. Средства разработки – это инструменты программиста, включающие алгоритмические языки программирования (ЯП), а также трансляторы (компиляторы). Приложения - программные продукты, предназначенные для решения задач в конкретной предметной области.

Общее программное обеспечение — это совокупность управляющих и обрабатывающих программ, предназначен­ных для планирования и организации вычислительного процесса, автоматизации программирования и отладки про­грамм, а также для решения прикладных задач.

Операционная система (ОС), являясь основой общесистемного ПО, обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера и предоставляет пользователю свободный доступ к его аппаратным возможностям.

 

Состав общего (общесистемного) программного обеспечения:

- операционная система;

- программы технического обслуживания;

- система программирования

Программы ОС постоянно (резидентно) занимают в оперативной памяти объем, установленный при конфигурировании системы. Остальные части операционной системы по мере необходимости вызываются из внешней памяти на магнитном диске.

Операцио́нная систе́ма, (ОС) (англ. operating system, OS) – комплексуправляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны – предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.

Операционная система – это посредник между человеком и компьютером, – комплекс программ, обеспечивающий управление компьютером и подключенными к нему внешними устройствами, представляет собой совокупность программ и данных, предназначенную для повышения эффективности использования ресурсов вычислительной системы, а также для организации вычислительного процесса и обеспечения его устойчивости.

К ресурсам вычислительной системы относятся технические ресурсы, информационные ресурсы, человеческие ресурсы.

Технические ресурсы - это процессор, каналы ввода-вывода информации, оперативная память. Каждый из ресурсов характеризуется отношением стоимости и производительности (Ст-ть/Пр-ть). ОС осуществляет планирование работы системы таким образом, чтобы в максимальной степени были загружены устройства, имеющие наибольшее коэффициента Ст-ть/Пр-ть. Наибольшее значение этого коэффициента имеет процессор, поэтому ОС должна в первую очередь обеспечивать непрерывную работу процессора.

К информационным ресурсам относятся программы и данные. Для повышения эффективности их использования ОС имеет средства, позволяющие осуществлять разделенный или параллельный доступ пользователей к данным.

Человеческие ресурсы – это системные программисты, прикладные программисты, и операторы. Системные программисты ответственны за эффективное функционирование ОС. Для повышения эффективности ОС можно настраивать на конкретные потребности пользователя или же под конкретный комплекс технических средств, т. е. обладает свойством генерируемости. Для повышения эффективности работы прикладных программистов ОС использует трансляторы с языков высокого уровня, программы, позволяющие диагностировать ошибку. Оператору предоставляется язык директив, с помощью которого он осуществляет управление процессом.

Операционная система запускает прикладные программы, обеспечивает пользователю и прикладным программам удобный способ общения (интерфейс) с устройствами компьютера при помощи команд, вводимых с клавиатуры, мыши и других устройств ввода.

Программы технического обслуживания предназначены для поиска неисправностей аппаратной части, для обнаружения и устранения ошибок на устройствах хранения информации и в программном обеспечении.

Система программирования – это особая категория программных средств, обеспечивающая создание новых программ. К ним относятся языки программирования, представляющие собой формализованные языки, предназначенные для описания алгоритмов решения задач на ЭВМ, а также совокупность символов, соглашений и правил, используемых для общения, отображения и передачи информации.

Прикладное программное обеспечение (приложения) – часть программного обеспечения, состоящая из отдельных прикладных программ и пакетов прикладных программ, обеспечивающих решение различных прикладных задач (обработка текстов, выполнение бухгалтерских расчетов, учет книг в библиотеках или деталей на складах, обучение различным предметам в школах и т. п.). Если термин «прикладная программа» означает приложение программы к решению задач, то «приложение» в настоящее время имеет смысл приложения к операционной системе.

Прикладные программы – это программы, предназначенные для решения конкретных задач в определенной области (обучающие программы, программы бухгалтерского учета, игровые программы и др.). Это самый большой класс программ, используемых в различных областях деятельности человека: дома, в быту, учебных заведениях, магазинах, поликлиниках, офисах, банках и т. п.

Пакеты прикладных программ – это система прикладных программ, предназначенных для решения не единственной, а целого ряда задач, относящихся к какой-либо области.

Пакеты прикладных программ различаются по сложности, типу и назначению. Примерами прикладных программ могут служить:

- текстовые редакторы, позволяющие автоматизировать процесс составления и редактирования документов (Лексикон, Word, Ventura и др.);

- графические редакторы, позволяющие создавать рисунки, диаграммы, графики, чертежи (Paint, Grafer, CorelDRAW, AutoCAD и др.);

- системы управления базами данных, которые служат для работы с большими объемами информации (dBASE, FoxPro, Access и др.);

- электронные таблицы, которые используются в фи­нансовых и бухгалтерских расчетах, учетной деятельности и т. д. (SuperCalc, Lotus 1-2-3, Excel и др.).

Прикладное программное обеспечение очень быстро развивается, расширяя сферу применения компьютеров и круг пользователей.

Самым значительным достижением в программном обеспечении компьютера стало появление мультимедиа, позволяющего объединить различные способы отображения информации: текст, графику, мультипликацию, музыку, видео. Мультимедийная программа, работающая на специально подготовленном для этого оборудовании, практически ничем не отличается от кинофильма и даже превосходит его, т. к. позволяет самому участвовать в нем. Используя специальное оборудование, вы погружаетесь в кажущийся или иначе - виртуальный мир, в котором можете отправиться в путешествие в любую точку земного шара или принять участие в космическом полете и побывать на других планетах. Можно совершить экскурсию по знаменитым музеям мира, посмотреть видеофильмы с выступлениями известных эстрадных групп и исполнителей, послушать классическую музыку, познакомиться с мультимедийными энциклопедиями, снабженными цветными иллюстрациями, видеофрагментами, музыкой и др.

Функции и состав операционных систем.

Функции ОС.

Операционная система - это набор программ, обеспечивающий организацию вычислительного процесса на ЭВМ.

Основные задачи ОС следующие:

1) увеличение пропускной способности ЭВМ (за счет организации непрерывной обработки потока задач с автоматическим переходом от одной задачи к другой и эффективного распределения ресурсов ЭВМ по нескольким задачам);

2) уменьшение времени реакции системы на запросы пользователей пользователями ответов от ЭВМ;

3) упрощение работы разработчиков программных средств и сотрудников обслуживающего персонала ЭВМ (за счет предоставления им значительного количества языков про­граммирования и разнообразных сервисных программ).

Операционные системы могут классифицироваться по следующим показателям:

- количество пользователей: однопользовательские ОС (MS-DOS, Windows) и многопользовательские ОС (VM, Unix);

- доступ: пакетные (OS 360), интерактивные (Windows, Unix), системы реального времени (QNX, Neutrino, RSX);

- количество решаемых задач: однозадачные ОС (MS-DOS) и многозадачные ОС (Windows, Unix).

Операционная система предназначена для выполнения следующих основных (тесно взаимосвязанных) функций (рис. 2.):

1) управление данными;

2) управление задачами (заданиями, процессами);

3) связь с человеком-оператором.

 

 

Рис. 2. Функции операционной системы.

 

В различных ОС эти функции реализуются в различных масштабах и с помощью разных технических, программных, информационных методов и средств.

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

Функции защиты ОС тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при обращении к ресурсам системы - файлам, каталогам, принтерам и т.д. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий.

Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС, заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы. К таким событиям могут относиться удачные и неудачные попытки логического входа в системы, операции доступа к файлам, использование принтеров и т.д.

Поддержка отказоустойчивости реализуется операционной системой, как правило, на основе резервирования. Чаще всего в функции ОС входит поддержание нескольких копий данных на различных дисках или разных дисковых накопителях. При отказе одного из избыточных устройств операционная система должна быстро и прозрачным для пользователя образом произвести реконфигурацию системы и продолжить работу с резервным устройство.

Операционные системы персональных компьютеров подразделяются на:

- однопользовательские, однопрограммные, получившие наибольшее распространение (сотни миллионов экземпляров). Это прежде всего операционная система MS DOS (версия 6.22), затем графические программные оболочки Windows 3.x, операционные системы Windows 95/98/МЕ. системы Windows NT/2000/XP.. И хотя Windows NT/2000, как уверяют специалисты, ненамного уступает но сетевым и многопользовательским свойствам таким ОС как Unix/Linux, следует не забывать, что Unix/Linux пришли па ПЭВМ с больших вычислительных систем (mainframes, hosts), а не наоборот.

- многопользовательские многозадачные операционные системы – это ряд систем OS/360/370/375. классический прототип всех последующих разработок, затем операционные системы RSX (ОС РВ), и наиболее популярные сегодня среди системных администраторов мощных машин системы Unix и Linux. Основной чертой данных ОС является обеспечение работы систем в одном из следующих режимов:

- системы с разделением времени, в которых каждый участник «как бы монопольно» (виртуально) пользуется ресурсами ЭВМ, а основной задачей администраторов и разработчиков является защита данных от несанкционированного доступа и взаимная изоляция участников;

- системы обеспечения групповых решений (СОГР) - Computer Supported Cooperative Work, groupware - ориентированные на прямо противоположную задачу – обеспечить взаимодействие пользователей в процессе принятия решений. СОГР сочетают коммуникационную, вычислительную технологии и процедуры принятия решений для облегчения формулирования и решения неструктурированных проблем группой лиц.

Первая функционально полная ОС - OS/360 была предложена фирмой IBM в качестве оболочки ЭВМ IBM/360. Разработка и внедрение ОС позволили разграничить функции операторов, администраторов, программистов, пользователей, а также существенно (в десятки и согни раз) повысить производительность ЭВМ и степень загрузки технических средств. Версии OS/360/ 370/375 – MFT (мультипрограммирование с фиксированным количеством задач), MVT (с переменным количеством задач), SVS (система с виртуальной памятью), SVM (система виртуальных машин) – последовательно сменяли друг друга и во многом определили современные представления о роли ОС в общей иерархии систем управления данными и задачами при обработке данных на ЭВМ.

Ранние ЭВМ не предусматривали ОС, поэтому процедуры запуска/остановки программ, присоединения внешних носителей управлялись вручную, или командами из прикладных программ. В середине 1960-х годов ряд ведущих фирм-производителей ЭВМ, таких как IBM (США), ICL (Великобритания), CII (Франция) практически одновременно приступили к выпуску моделей машин (IBM 360, System 4, Iris 80), оснащенных операционными системами.

Наиболее совершенной и конкурентноспособной оказалась система OS/360 (IBM), в которой были заложены практически все основные черты ОС, позволяющие превратить ЭВМ в «автоматизированную фабрику» обработки информации при минимальном участии человека. OS/360 и другие современные ей системы были ориентированы на обработку потока заданий (или пакетную обработку), при которой пользователь не может вмешаться в ход выполняемой задачи, оперативно просмотреть промежуточные данные, т. е. оторван от машины.

Ранние версии OS/360 были ориентированы па пакетную обработку информации – входной поток заданий (на МЛ, МД или перфокартах) подготавливался заранее и поступал на обработку в непрерывном режиме. В дальнейшем возникли расширения OS/360/375, допускающие диалоговую обработку данных с терминалов пользователя, последняя из версий (OS SVM) фактически предоставляла в распоряжение пользователя «виртуальную персональную ЭВМ» с полной мощностью вычислительной установки IBM/360/375. Операционные системы других семейств (поколений), например RSX (для PDP/11 DEC) или Unix с самого возникновения ориентировались на интерактивное взаимодействие с пользователями.

Появление и широкое распространение видеотерминалов создали возможность предоставить пользователю активный диалоговый доступ к вычислительному процессу, которым он занимается. В OS/360 фирмой и пользователями были внесены дополнения - появилась система TSO (Система с разделением времени), CCIS (Система управления потреблением информации). Известен ряд удачных отечественных разработок – PRIMUS, FOCUS. Появившиеся в последующий период ОС ориентировались преимущественно на интерактивную работу пользователей – RSX, VMS, Unix и прочие.

В настоящее время наиболее распространенной является интерактивная ОС Unix, версии которой разработаны практически для всех моделей ЭВМ.

Для совместимых ЭВМ (ПЭВМ) в свое время создана Unix-подобная система MS/DOS (фирма MicroSoft).

Программы ОС

Программы ОС постоянно (резидентно) занимают в оперативной памяти (ОП) объем, установленный при конфигурировании системы. Остальные части операционной системы по мере необходимости вызываются из внешней памяти на МД.

Операционная система обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

- обработки задач;

- работы системы в режиме диалога и квантования времени;

- работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;

- связи оператора с системой;

- протоколирования хода выполнения вычислительных работ;

- обработки данных, поступающих по каналам связи;

- функционирования устройств ввода-вывода;

- использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;

- планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;

- ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ЭВМ.

Основные компоненты операционных систем – управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы ЭВМ при переходе от одной программы к другой без вмешательства оператора.

Основные функции обрабатывающей программы:

1. Выполнение различных вычислений

2. Обслуживание интерфейса пользователя, то есть процесса обмена информации между пользователем и ПК

В общем случае в состав ОС входят следующие модули:

· Программный модуль, управляющий файловой системой.

· Командный процессор, выполняющий команды пользователя.

· Драйверы устройств.

· Программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.

· Сервисные программы.

· Справочная система.

Для упрощения работы пользователя в состав современных ОС входят программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.

Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В ОС имеется программный модуль, управляющий файловой системой.

Командный процессор (command processor) – специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их (интерпретатор программ).

Интерпретатор команд отвечает за загрузку приложений и управление информационным потоком между приложениями.

Драйвер устройства (device driver) – специальная программа, обеспечивающая управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами.

Сервисные программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и др.), выполнять операции с файлами (копирование, переименование и др.), работать в компьютерных сетях.

Для удобства пользователя в состав ОС входит справочная система, позволяющая оперативно получить необходимую информацию о функционировании как ОС в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

К операционным системам, помимо того, что они должны выполните перечисленные выше функции, предъявляется ряд эксплуатационных требований:

Ø Расширяемость. Жизнь операционных сметем, как правило, дольше жизни аппаратной части компьютеров. Поэтому операционные системы всегда, меняются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС.

Ø Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ. Такое свойство ОС также называют многоплатформенностью.

Ø Совместимость. Для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень важно возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, сто она обладает совместимостью с этими ОС.

Ø Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и внешних ошибок, сбоев, отказов. Ее действия должны быть предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности нанести вред операционной системе. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством реализации.

Ø Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она как минимум должна иметь в своем составе средства аутентификации - определения легальности пользователей, авторизации - предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, аудита - фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событиям. В сетевых ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.

Ø Производительность. Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.