Общие сведения об операционных системах

Структура вычислительной системы

Из чего состоит любая вычислительная система? Во-первых, из того, что в англоязычных странах принято называть словом hardware, или техническое обеспечение: процессор, память, монитор, дисковые устройства и т. д., объединенные магистральным соединением, которое называется шиной.

Во-вторых, вычислительная система состоит из программного обеспе­чения. Как уже было сказано ранее, оно условно делится на при­кладное и системное программное обеспечение. К прикладному программному обеспечению, как правило, относятся разнообразные банковские и прочие бизнес-программы, игры, текстовые процессоры и т. п. Под системным программным обеспечением обычно понимают программы, способствующие функцио­нированию и разработке прикладных программ. Надо сказать, что деле­ние на прикладное и системное программное обеспечение является отчасти условным и зависит от того, кто осуществляет такое деление. Так, обычный пользователь, неискушенный в программировании, может счи­тать Microsoft-Word системной программой, а, с точки зрения программи­ста, это — приложение. Компилятор языка Си для обычного программи­ста — системная программа, а для системного — прикладная. Несмотря на эту нечеткую грань, данную ситуацию можно отобразить в виде последо­вательности слоев (см. рис.1.1), выделив отдельно наибольшую ее общую часть системного программного обеспечения — операционную систему:

Рис.1.1 Слои программного обеспечения компьютерной системы

Большинство пользователей имеет опыт эксплуатации операцион­ных систем, но тем не менее они затруднятся дать этому понятию точное определение. Давайте кратко рассмотрим основные точки зрения.

Операционная система как виртуальная машина

При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощения и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компьютером.

Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных команд очень неудобна для использования прикладными программами. Напри­мер, работа с диском предполагает знание внутреннего устройства его электронного компонента — контроллера для ввода команд вращения дис­ка, поиска и форматирования дорожек, чтения и записи секторов и т. д. Ясно, что средний программист не в состоянии учитывать все особенно­сти работы оборудования (в современной терминологии — заниматься разработкой драйверов устройств), а должен иметь простую высокоуровне­вую абстракцию, скажем, представляя информационное пространство диска как набор файлов. Файл можно открывать для чтения или записи, использовать для получения или сброса информации, а потом закрывать. Это концептуально проще, чем заботиться о деталях перемещения головок дисков или организации работы мотора. Аналогичным образом, с помо­щью простых и ясных абстракций, скрываются от программиста все ненужные подробности организации прерываний, работы таймера, управ­ления памятью и т. д. Более того, на современных вычислительных комп­лексах можно создать иллюзию неограниченного размера операционной памяти и числа процессоров. Всем этим занимается операционная систе­ма. Таким образом, операционная система представляется пользователю виртуальной машиной, с которой проще иметь дело, чем непосредственно с оборудованием компьютера.

Операционная система как менеджер ресурсов

Операционная система предназначена для управления всеми частя­ми весьма сложной архитектуры компьютера. Представим, к примеру, что произойдет, если несколько программ, работающих на одном компь­ютере, будут пытаться одновременно осуществлять вывод на принтер. Мы получили бы мешанину строчек и страниц, выведенных различными программами. Операционная система предотвращает такого рода хаос за счет буферизации информации, предназначенной для печати, на диске и организации очереди на печать. Для многопользовательских компьютеров необходимость управления ресурсами и их защиты еще более очевидна. Следовательно, операционная система, как менеджер ресурсов, осущест­вляет упорядоченное и контролируемое распределение процессоров, па­мяти и других ресурсов между различными программами.

Операционная система как защитник пользователей и программ

Если вычислительная система допускает совместную работу нескольких пользователей, то возникает проблема организации их безо­пасной деятельности. Необходимо обеспечить сохранность информации на диске, чтобы никто не мог удалить или повредить чужие файлы. Нель­зя разрешить программам одних пользователей произвольно вмешивать­ся в работу программ других пользователей. Нужно пресекать попытки несанкционированного использования вычислительной системы. Всю эту деятельность осуществляет операционная система как организатор безопасной работы пользователей и их программ. С такой точки зрения операционная система представляется системой безопасности государст­ва, на которую возложены полицейские и контрразведывательные функции.

Операционная система как постоянно функционирующее ядро

Наконец, можно дать и такое определение: операционная система — это программа, постоянно работающая на компьютере и взаимодейству­ющая со всеми прикладными программами. Казалось бы, это абсолютно правильное определение, но, как мы увидим дальше, во многих совре­менных операционных системах постоянно работает на компьютере лишь часть операционной системы, которую принято называть ее ядром.

Существует много точек зрения на то, что такое опе­рационная система. Невозможно дать ей адекватное строгое определение. Проще сказать не что есть операционная система, а для чего она нуж­на и что она делает. Для выяснения этого вопроса необходимо рассмотреть историю развития вычислительных систем.

И так, операционная система (ОС)– это совокупность программных средств, осуществляющих управление ресурсами ЭВМ, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с компьютером.

Ресурсом является любой компонент ЭВМ и предоставляемые им возможности: центральный процессор, оперативная или внешняя память, внешнее устройство, программа и т. д.

ОС обеспечивает выполнение двух главных задач:

­ поддержку работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой;

­ предоставление пользователям возможностей общего управления машиной.

ОС загружается при включении компьютера и предоставляет пользователю удобный способ общения с вычислительной системой.

Под участниками компьютерной или вычислительной системы понимают: пользователя, программное и аппаратное обеспечение. Способ взаимодействия между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Исходя из выше сказанного, различают три вида интерфейса: программный, аппаратный и пользовательский.

Под программным интерфейсом понимают способ взаимодействия между программами.

Под аппаратным интерфейсом понимают способ взаимодействия между узлами и оборудованием, которые находятся внутри системного блока или подключены к нему снаружи.

Пользовательский интерфейс – то способ взаимодействия пользователя с аппаратным и программным обеспечением.

В свою очередь, пользовательский интерфейс может быть командным или объектно-ориентированным.

Командный интерфейс предполагает ввод пользователем команд с клавиатуры при выполнении действий по управлению ресурсами компьютера.

Объектно-ориентированный интерфейс – это управление ресурсами вычислительной системы посредством осуществления операций над объектами, представляющими файлы, каталоги (папки), дисководы, программы, документы и т. д.

Каждый компьютер обязательно комплектуется операционной системой, для каждой из которых создается свой набор прикладных программ (приложений).

Большинство операционных систем модифицируются и совершенствуются в направлении исправления ошибок и включения новых возможностей. В целях сохранения преемственности новая модификация операционной системы не переименовывается, а приобретает название версии. Версии ОС обозначаются (как правило) «десятичной дробью» вида 6.00, 2.1, 3.5 и т.д. При этом увеличение цифры до точки отражает существенные изменения, вносимые в операционную систему, а увеличение цифр, стоящих после точки, – незначительные изменения (например, исправление ошибок). Чем больше номер версии, тем большими возможностями обладает система.

В полной конфигурации ОС для персонального компьютера, должна содержать следующие основные компоненты:

­ файловую систему;

­ драйверы внешних устройств;

­ процессор командного языка.

Одна из важнейших функций ОС – организация файловой системы. Файл – это поименованная область на внешнем носителе, в которой хранится информация. Реализуются файлы как участки памяти на внешних магнитных носителях. Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге – оглавлении файлов. Каталог (иногда называемый директорием) доступен пользователю через командный язык операционной системы – его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять. Каталог может иметь собственное имя и храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами; так образуются иерархические файловые структуры.

Итак, файловой системой или файловой структурой называют порядок хранения файлов на магнитном диске. Для дисков с небольшим количеством файлов может использоваться одноуровневая файловая структура, когда каталог представляет собой линейную последовательность файлов.

Если же на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска файлы хранятся в многоуровневой иерархической структуре каталогов, которая имеет «древовидную» структуру».

ПЭВМ может иметь довольно большой набор внешних устройств (ВУ ). Помимо стандартных внешних устройств (ВУ) – дисплея, клавиатуры, жестких дисков и принтера, к машине могут подключаться дополнительные устройства ввода/вывода – графопостроители, планшеты, сканер, мышь, а также специфические устройства – модемы для связи с телефонными линиями, контроллеры локальных сетей и др.

Поддержка широкого набора ВУ – одна из важнейших функций ОС. Для ее осуществления введено понятие драйвера – программы специального типа, ориентированной на управление внешним устройством. Каждому типу ВУ сопоставляется свой драйвер.

Во всякой операционной системе имеется командный язык, который позволяет выполнять те или иные действия – обращение к каталогу, разметку внешних носителей, запуск программ и др. Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память ПЭВМ и их запуск, осуществляется командным процессором ОС.

Контрольные вопросы