Тема 3. Операционная система: назначение и состав

Состав операционной системы

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.

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

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.

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.

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.

Примечание

Состав модулей ОС, а также их количество зависит от семейства и вида ОС. Так, например, в ОС MS DOS отсутствует модуль, обеспечивающий графический пользовательский интерфейс.

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.
Вспомогательные модули, выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Модули ядра выполняют следующие базовые функции ОС: Управление процессами, Управление системой прерываний, Управление памятью, управление устройствами ввода-вывода, Функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/вы грузка страниц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложе ний. Функции, служащие для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду.

Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий: для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API ( Application programming interface).

Пример.
Базовый код API Win32 содержится в трех библиотеках динамической загрузки (Dynamic Link Library, DLL): USER32, GDI32 и KERNEL32.

Kernel - модуль Windows, который поддерживает низкоуровневые функции по работе с файлами и управлению памятью и процессами. Этот модуль обеспечивает сервис для 16- и 32-разрядных приложений.
GDI (Graphics Device Interface) - модуль Windows, обеспечивающий реализацию графических функций по работе с цветом, шрифтами и графическими примитивами для дисплея и принтеров.
User - модуль Windows, который является диспетчером окон и занимается созданием и управлением отображаемыми на экране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и другими элементами пользовательского интерфейса.
Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.
Вспомогательные модули ОС выполняют вспомогательные функции ОС (полезные, но менее обязательные чем функции ядра).

Примеры вспомогательных модулей:

Программа архивирования данных.
Программа дефрагментации диска.
Текстовый редактор.

Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур. Вспомогательные модули ОС подразделяются на следующие группы:

утилиты – программы, решающие задачи управления и сопровождения компьютерной системы: обслуживание дисков и файлов.

системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.

программы предоставления пользователю дополнительных услуг пользовательского интерфейса (калькулятор, игры).

библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку при ложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода).

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Вспомогательные модули обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Примечание

Разделение операционной системы на ядро и вспомогательные модули обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать основные функции, образующие ядро системы.

Объектами ядра ОС являются:

Процессы (рассмотрено в теме 2.3).
Файлы.
События.
Потоки (рассмотрено в теме 2.3).
Семафоры – объекты, позволяющие войти в заданный участок кода не более чем n потокам.
Мьютексы – одноместные семафоры, служащие в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков.
Файлы, проецируемые в память.

Основные понятия ОС

Автор: Грошев С.

Основные понятия

Операционная система – это компьютерная программа или комплекс программ, обеспечивающая среду для выполнения других программ и дающая этим программам доступ к возможностям процессора и периферийных устройств компьютера, таких как диски, дисплей и так далее. Операционная система очень удобна, но является абсолютно необходимой для работы с компьютером. На заре компьютерной эпохи техники загружали программы в память, используя ручные устройства ввода: кнопки и переключатели или перфоленты. Затем они вручную задавали стартовый адрес программы и указывали компьютеру, что надо перейти к нему и начать ее выполнение.

Однако современные пользователи компьютеров применяют более совершенные методы. Появилось такое понятие как файл, затем файловая система. Затем появилось понятие разделения времени, и, следовательно, понятия многозадачности и многопользовательности.

Понятие системного и служебного (сервисного) программного обеспечения

ОС Microsoft Windows

MS Windows (произносится Виндоуз) – семейство операционных систем компании Microsoft (Майкрософт). Глава корпорации Microsoft – Билл Гейтс.

Начиная с 1995 г. Windows – самая популярная операционная система на рынке персональных компьютеров – стандарт де-факто. К 2005 г. Microsoft Windows была установлена более чем на 89 % персональных компьютеров.

Однако многие пользователи сделали выбор в пользу ОС Windows, так как совсем не знакомы с альтернативами, такими как MacOS, Linux, BSD. До начала 2000-х гг. в России почти все персональные компьютеры продавались с предустановленной операционной системой Windows. Борьба с распространением пиратских версий программных продуктов привела к появлению интереса к другим операционным системам. Так, например, стало возможным приобрести персональный компьютер с предустановленной бесплатной ОС Linux.

Операционная система Microsoft Windows включает в себя стандартные приложения, такие как браузер Internet Explorer, почтовый клиент Outlook Express, проигрыватель Windows Media Player.

Вокруг факта включения таких стандартных продуктов в ОС Windows разгорается много споров и дискуссий, поскольку это создает серьезное препятствие для распространения конкурирующих продуктов.

Для MS Windows существует очень удобный и освоенный большинством пользователей пакет прикладных программ Microsoft Office, включающий:

- текстовый процессор MS Word,

- табличный процессор MS Excel,

- органайзер MS Outlook,

- приложение для подготовки презентаций MS PowerPoint,

- приложение для управления базами данных MS Access.

Не стоит забывать, что и ОС Windows, и абсолютное большинство популярных прикладных программ под Windows имеют лицензию copyright, т.е. являются проприетарным ПО. Соответственно каждая копия такой программы должна приобретаться за деньги. Например, на конец 2007 г. цена на Windows Vista Home Basic Russian DVD – 3 240 руб., Office 2007 Win32 Russian CD– 12 280 руб.

Используя нелицензионное (пиратское) ПО, защищенное лицензией copyright, вы нарушаете законодательство о защите авторских прав.

ОС Linux

Операционная система Linux (произносится «линукс») – свободная UNIX-подобная операционная система. Это самая мощная альтернатива MS Windows, популярная в качестве серверной и резко набирающая популярность в качестве настольной (desktop) операционной системы в последние годы, в связи с усилением контроля за соблюдением лицензионного использования ОС Windows со стороны Microsoft в версиях XP и Vista.

К операционной системе Linux также часто относят программы, дополняющие эту операционную систему, и прикладные программы, делающие её полноценной многофункциональной операционной средой.

В отличие от большинства других операционных систем, Linux не имеет единой «официальной» комплектации. Вместо этого Linux поставляется в большом количестве так называемых дистрибутивов, в которых программы соединяются с ядром Linux и другими программами. Самые распространённые в мире дистрибутивы:

- американский Red Hat и его наследник Fedora Core;

- немецкий SuSE;

- французский Mandriva (бывший Mandrake);

- не имеющий национальной принадлежности международный дистрибутив Debian GNU/Linux;

- один из самых старых дистрибутивов Slackware;

- сравнительно молодой и активно развивающийся дистрибутив Gentoo;

- молодой, но перспективный дистрибутив Ubuntu Linux.

Создатель ядра Linux – Линус Торвальдс. Linux не имеет географического центра разработки. Нет и организации, которая владела бы этой системой; нет даже единого координационного центра. Программы для Linux – результат работы тысяч проектов. Некоторые из этих проектов централизованы, некоторые сосредоточены в фирмах, но большинство объединяют программистов 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.

На рынке серверных операционных систем Австралии Linux уже заняла около 30 %. За австралийцами последовали и бразильцы. Бразильское правительство решило отказаться от расходования средств на программное обеспечение и перейти с продуктов Microsoft на системы с открытым кодом, в частности, ОС Linux. Главная причина изменений – экономическая. В нашей стране рынок Linux пока невелик.

Файловая система

Вся информация в компьютере хранится в файлах, с которыми и работает операционная система.

Файлы организованы в каталоги, также называемые директориями (directory) или папками (folder). Любой каталог может содержать произвольное число подкаталогов, в каждом из которых могут храниться файлы и другие каталоги.

На каждом диске существует главный или корневой каталог, в котором располагаются все остальные каталоги, называемые подкаталогами, и некоторые файлы. Таким образом, создается иерархическая структура. Каталог, с которым в настоящий момент работает пользователь, называется текущим.

Файлы и каталоги являются самыми важными объектами файловой системы. Она определяет формат физического хранения файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла, максимально возможный размер файла, набор атрибутов файла.

Способ, которым данные организованы в байты, называется форматом файла. Для того чтобы прочесть файл, например, электронной таблицы, необходимо знать, каким образом байты представляют числа (формулы, текст) в каждой ячейке; чтобы прочесть файл текстового редактора, надо знать, какие байты представляют символы, а какие шрифты или поля, а также другую информацию.

Все файлы условно можно разделить на две части – текстовые и двоичные.

Текстовые файлы – наиболее распространенный тип данных в компьютерном мире. Для хранения каждого символа чаще всего отводится один байт, а кодирование текстовых файлов выполняют с помощью специальных кодировочных таблиц. Но чисто текстовые файлы встречаются все реже. Люди хотят, чтобы документы содержали рисунки и диаграммы и использовали различные шрифты. В результате появляются форматы, представляющие собой различные комбинации текстовых, графических и других форм данных.

Двоичные файлы, в отличие от текстовых, не так просто просмотреть и в них обычно нет знакомых нам слов – лишь множество непонятных символов. Эти файлы не предназначены непосредственно для чтения человеком. Примерами двоичных файлов являются исполняемые программы и файлы с графическими изображениями.

Каждый файл на диске имеет обозначение (полное имя), которое состоит из 2 частей: имени и расширения, разделенных точкой.

Расширение имени файла – необязательная последовательность символов, добавляемых к имени файла и предназначенных для идентификации типа (формата) файла. Это один из распространённых способов, с помощью которого пользователь или программное обеспечение компьютера может определить тип данных, хранящихся в файле. В ранних операционных системах длина расширения была ограничена тремя символами, в современных операционных системах это ограничение отсутствует.

Операционная система или менеджер файлов могут устанавливать соответствия между расширениями файлов и приложениями. Когда пользователь открывает файл с зарегистрированным расширением, автоматически запускается соответствующая этому расширению программа. Некоторые расширения показывают, что файл сам является программой. Зачастую расширение файла отображается для пользователя пиктограммой.

Драйверы

С персональным компьютером могут сопрягаться разнообразные устройства: видеокарта, звуковая карта, принтер, сканер, манипуляторы, дисководы, цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и т.д. Каждое из них имеет свой набор команд – свой «язык». Чтобы конкретная операционная система могла управлять конкретным устройством, прибегают к помощи программ-«переводчиков», знающих, с одной стороны, язык команд конкретного устройства, а с другой – язык конкретной операционной системы, под управлением которой должно работать это устройство.

Такая программа называется драйвером (driver) и поставляется вместе с устройством его производителем. Производители аппаратного ПО, как правило, также размещают драйверы созданных ими устройств на своих веб-сайтах.

Архиваторы

Архиваторы – это программы, позволяющие создавать, за счет специальных методов сжатия, копии файлов меньшего размера и объединять копии нескольких файлов в один архивный файл, а также распаковывать архивы (извлекать файлы из архива).

Существуют различные алгоритмы архивации данных без потери информации, т.е. при разархивации данные будут восстановлены в исходном виде.

Наиболее популярные форматы архивов:

- ZIP – еще со времен ОС DOS один из самых популярных и распространенных архивных форматов, основанный на алгоритмах сжатия, в 80-х гг. прошлого столетия предложенных израильскими математиками Лемпелем и Зивом. Он отличается приемлемой степенью сжатия информации и достаточно высоким быстродействием. Сегодня он является стандартом де-факто в Интернете, и его поддерживают практически все программы-архиваторы;

- RAR – разработан российским программистом Евгением Рошалем; позволяет получить размер сжатого файла гораздо меньший, чем ZIP, ценой этому является более продолжительный процесс обработки архива. В целом формат RAR значительно лучше других оптимизирован для решения сложных задач с использованием большого количества файлов и гигабайтных дисковых пространств;

- CAB – применяется в продуктах Microsoft как стандартный для упаковки файлов, причем его алгоритм, нигде не опубликованный, представляет собой достаточно совершенный продукт, имеющий высокий коэффициент сжатия;

- GZIP, TAR – получили наибольшее распространение в системах на базе Unix и ее самой популярной разновидности Linux;

- ACE – достаточно новый формат с высокой степенью сжатия, завоевывающий все большую популярность.

Многие программы, являющиеся достаточно популярными в мире архиваторов, базируются на том или ином формате и носят аналогичные названия. Например, для ОС Windows наиболее популярными являются архиваторы WinRAR, WinZIP, WinACE. Кроме этого все они имеют инструменты для работы с другими форматами архивов. Несмотря на это, могут возникнуть проблемы с совместимостью форматов архивов в различных программах. Во многих случаях удачным решением проблемы совместимости архивов различных типов является создание архивов в виде самораспаковывающихся программ (EXE-файлов), в состав которых входят все необходимые механизмы для извлечения информации из архива, таким образом, отпадает необходимость иметь на компьютере соответствующую программу – распаковщик архива.

Состав операционной системы

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.

Примечание

Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.
Вспомогательные модули, выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Примеры вспомогательных модулей:

Программа архивирования данных.
Программа дефрагментации диска.
Текстовый редактор.

Примечание

Объектами ядра ОС являются:

Процессы (рассмотрено в теме 2.3).
Файлы.
События.
Потоки (рассмотрено в теме 2.3).
Семафоры – объекты, позволяющие войти в заданный участок кода не более чем n потокам.
Мьютексы – одноместные семафоры, служащие в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков.
Файлы, проецируемые в память.

Тема 3. Операционная система: назначение и состав

Операционная система, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих 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. Это определение применимо к большинству современных ОС общего назначения.

В логической структуре типичной вычислительной системы ОС занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.

В большинстве вычислительных систем ОС является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного ПО. С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами являются ОС семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).

Все разнообразие программ, используемых на современных компьютере называется программным обеспечением.

Программы, составляющие ПО можно разделить на три группы: системное ПО, системы программирования, прикладное ПО.

Две первые группы иногда называют базовым ПО. Ядром системного ПО является Операционная система (ОС). ОС – это часть ПО, наиболее тесно связанная с техническими средствами компьютора ( hardware).

Основные функции ОС:

управление ресурсами компьютера: процессорным временем, распределением внутренней памяти, файлами, внешними устройствами;
организация диалога с пользователем.

Резидентная часть ОС ( ядро ОС) постоянно занимает раздел ПОкомпьютера. Туда она загружается с системного диска при включении машины. Эта процедура называется первоначальной загрузкой. Вся дальнейшая работа на компьютере происходит под контролем и управлением ОС. ОС осуществляет загрузку в ПОвсех программ, передает им в начале их работы, выполняет различные действия по запросу исполняемых программ и освобождает занимаемую программами память при их завершении. Важнейшей функцией ОС является работа с файлами. В файлах на внешних носителях хранится всё: программы, данные, сама ОС. Средствами ОС создается файловая система – определенная структура файлов на внешних носителях. Все действия с файлами (создание, удаление, копирование, именование и т.д.) производятся пользователем с помощью ОС.

Для общения ОС с пользователем используется специальный командный язык ОС.

Для упрощения диалога пользователя с ОС применяются так называемые диалоговые оболочки к ОС. Примером популярной оболочки является Norton Commander. При работе с подобной оболочкой пользователю не приходится набирать на клавиатуре команды по буквам; он выбирает их из меню в среде оболочки на экране. В последнее время стала популярной ОС Windows со встроенной графической оболочкой.

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый (ядро ОС ) – управляет файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между ПУ,
командный процессор – расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие через клавиатуру,
драйверы периферийных устройств – программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором,
дополнительные сервисные программы ( утилиты ) – делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Обязательно в ОЗУ должны находиться ядро ОС и командный процессор. Драйверы устройств и утилиты могут погружаться в ОЗУ по мере необходимости.

В 1975 году была основана знаменитая фирма в США Microsoft по производству программных продуктов.Её основателями были самые богатые на сегодняшний день американцы Билл Гейтс и Пауль Аллен. Они разработали ПО для IВ М Р С. В 1981 - MS DOS, В 1983 г – Windows, ( сообщение ученика по схеме – MS DOS ).

Загрузка ОС.

При включении электропитания компьютера начинают работать программы проверки оборудования, находящиеся в постоянной памяти компьютера. Если они находят ошибку, то выводят код ошибки на экран.

После окончания тестирования программа начальной загрузки пытается прочесть с дискеты, установленной на дисководе, программу – загрузчик ОС ( ВООТ ) ( расположенная в начале диска ).После того, как с диска, с которого загружалась ОС, прочитана программа – загрузчик ОС, эта программа считывает в память модули ОС ( базовый модуль и ему передается управление).

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

Существуют несколько наиболее распространенных ОС, каждая из которых ориентирована на определённую разрядность процессора, тип процессора, а также емкость ОЗУ.

По мере расширения возможностей компьютера требуются все более мощные и современные программные средства для использования этих ресурсов пользователями.

На IBM-совместимых персональных компьютерах используются операционные системы корпорации Microsoft Windows 9х/МЕ, свободно распространяемая операционная система Linux. На персональных компьютерах фирмы Apple используются различные версии операционной системы Mac OS. На рабочих станциях и серверах наибольшее распространение получили операционные системы Windows NT/2000/XP и UNIX.

Операционные системы разные, но их назначение и функции одинаковые. Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.

Современные операционные системы имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером.

Управление файловой системой. Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В операционной системе имеются программные модули, управляющие файловой системой.

Командный процессор. В состав операционной системы входит специальная программа - командный процессор, - которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их.

Пользователь может дать команду запуска программы, выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), вывода документа на печать и так далее. Операционная система должна эту команду выполнить.

Драйверы устройств. К магистрали компьютера подключаются различные устройства (дисководы, монитор, клавиатура, мышь, принтер и др.). Каждое устройство выполняет определенную функцию (ввод информации, хранение информации, вывод информации), при этом техническая реализация устройств существенно различается.

В состав операционной системы входят драйверы устройств, специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами, а также позволяют производить настройку некоторых параметров устройств. Каждому устройству соответствует свой драйвер.

Технология " Plug and Play" (подключи и играй) позволяет автоматизировать подключение к компьютеру новых устройств и обеспечивает их конфигурирование. В процессе установки Windows определяет тип и конкретную модель установленного устройства и подключает необходимый для его функционирования драйвер. При включении компьютера производится загрузка драйверов в оперативную память.

Пользователь имеет возможность вручную установить или переустановить драйверы.

Графический интерфейс. Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс. В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды с помощью мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

Сервисные программы. В состав операционной системы входят также сервисные программы, или утилиты. Такие программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и так далее), выполнять операции с файлами (архивировать и так далее), работать в компьютерных сетях и так далее.

Справочная система. Для удобства пользователя в состав операционной системы обычно входит также справочная система. Справочная система позволяет оперативно получить необходимую информацию как о функционировании операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

Основные понятия ОС

Автор: Грошев С.

Основные понятия

12 3 4 5 Следующая ⇒