Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем. В большинстве вычислительных систем операционные системы являются основной частью системного программного обеспечения.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера - на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Она скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Основные функции операционных систем:

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, компакт-диск и т. д.), организованным в той или иной файловой системе.

Пользовательский интерфейс.

Сетевые операции, поддержка стека протоколов.

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами. В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

Однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

Однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

Многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти операционные системы очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

Наиболее распространенными операционными системами являются:

Mac OS – операционная система корпорации Apple.

OS/2 - операционная система фирмы IBM.

Windows - операционная система корпорации Microsoft.

Linux - общее название Unix-подобных операционных систем на основе одноимённого ядра и собранных для него библиотек и системных программ, разработанных в рамках проекта GNU.

2.Понятие файловой системы.

3. Управление установкой, исполнением и удалением приложений

4. Обеспечение взаимодействия с аппаратным обеспечением

5. Обслуживание компьютера

6. Прочие функции операционных систем

1.НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений.

Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

· одно- и многозадачные;

· одно- и многопользовательские;

· непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.

Основная функция всех операционных систем - посредническая. Она заключаются в обеспечении нескольких видов интерфейса:

· интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

· интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно -программный интерфейс);

· интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

1.1.Обеспечение интерфейса пользователя

1.1.1.Режимы работы с компьютером

Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем.

В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последовательность команд.

Суть диалогового режима состоит в том, что операционная система находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды.

Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS. Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.

1.1.2.Виды интерфейсов пользователя

По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы.

Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки.

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши - графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь.

1.2. Обеспечение автоматического запуска

Все операционные системы обеспечивают свой автоматический запуск. Для дисковых операционных систем в специальной (системной) области диска создается запись программного кода. Обращение к этому коду выполняют программы, находящиеся в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Завершая свою работу, они дают команду на загрузку и исполнение содержимого системной области диска.

Недисковые операционные системы характерны для специализированных вычислительных систем, в частности для компьютеризированных устройств автоматического управления. Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог операционной системы. Ее автоматический запуск осуществляется аппаратно. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ (его можно изменять аппаратно с использованием логических микросхем), с которого начинается запись программы инициализации операционной системы.

2.ПОНЯТИЕ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Организация файловой системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора.

Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT 16. Она позволяет разместить в.FAT-таблицах не более 2 16 записей о местоположении единиц хранения данных и, соответственно, для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT 16 вообще работать не может.

2.2. Обслуживание файловой структуры

Несмотря на то что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы:

§ создание файлов и присвоение им имен;

§ создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

§ переименование файлов и каталогов (папок);

§ копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

§ удаление файлов и каталогов (папок);

§ навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

§ управление атрибутами файлов.

2.3. Создание и именование файлов

Файл - это именованная последовательность байтов произвольной длины. Поскольку из этого определения вытекает, что файл может иметь нулевую длину, то фактически создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе - это одна из функций операционной системы.

По способам именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. Согласно соглашению 8.3, принятому в MS-DOS, имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение - 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита.

Соглашение 8.3 не является стандартом, и потому в ряде случаев отклонения от правильной формы записи допускаются как операционной системой, так и ее приложениями(например, в большинстве случаев система «не возражает» против использования некоторых специальных символов, а некоторые версии MS-DOS даже допускают использование в именах файлов символов русского и других алфавитов). Сегодня имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются «короткими».

Основным недостатком «коротких» имен является их низкая содержательность. С появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ / : * ? " < > |.В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки.

Наряду с «длинным» именем операционные системы Windows 95,98,2000 создают также и короткое имя файла - оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование «длинных» имен файлов в операционных системах Windows имеет ряд особенностей.

1. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания.

2. В корневой папке диска нежелательно хранить файлы с длинными именами - в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения, причем, чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке.

3. Кроме ограничения на длину имени файла (256 символов) существует гораздо более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов.

4. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского.

5. Прописные и строчные буквы не различаются операционной системой. Однако символы разных регистров исправно отображаются операционной системой, и, если для наглядности надо использовать прописные буквы, это можно делать.

6. В современных операционных системах любое расширение имени файла может нести информацию для операционной системы. Системы Windows имеют средства для регистрации свойств типов файлов по расширению их имени, поэтому во многих случаях выбор расширения имени файла не является частным делом пользователя. Приложения этих систем предлагают выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически.

2.4. Создание каталогов (папок)

Каталоги (папки) - важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т. п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

Мы знаем, что в иерархических структурах данных адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих операционных системах в качестве такого символа используется «\», например:

2.4.1.Особенности Windows

До появления операционной системы Windows 95 при описании иерархической файловой структуры использовался введенный выше термин каталог. С появлением этой системы был введен новый термин - папка. В том, что касается обслуживания файловой структуры носителя данных, эти термины равнозначны: каждому каталогу файлов на диске соответствует одноименная папка операционной системы. Основное отличие понятий папка и каталог проявляется не в организации хранения файлов, а в организации хранения объектов иной природы.

2.5.Копирование и перемещение файлов.

В неграфических операционных системах операции копирования и перемещения файлов выполняются вводом прямой команды в поле командной строки.

В графических операционных системах существуют приемы работы с устройством позиционирования, позволяющие выполнять эти команды наглядными методами.

2.6.Навигация по файловой структуре

Навигация по файловой структуре является одной из наиболее используемых функций операционной системы. Удобство этой операции часто воспринимают как удобство работы с операционной системой. В операционных системах, имеющих интерфейс командной строки, навигацию осуществляют путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога в каталог. В связи с крайним неудобством такой навигации, широкое применение нашли специальные служебные программы, называемые файловыми оболочками.

Как и операционные системы, файловые оболочки бывают неграфическими и графическими. Наиболее известная неграфическая файловая оболочка для MS-DOS -диспетчер файлов Norton Commander , а роль графической файловой оболочки для MS-DOS в свое время исполняли программы Windows 1.0 и Windows 2.0, которые постепенно развились до понятия операционной среды (в версиях Windows 3.x) и далее до самостоятельной операционной системы (Windows 95/98).

3. УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ, ИСПОЛНЕНИЕМ И УДАЛЕНИЕМ ПРИЛОЖЕНИЙ

3.1.Понятие многозадачности

Работа с приложениями составляет наиболее важную часть работы операционной системы. С точки зрения управления исполнением приложений, различают однозадачные и многозадачные операционные системы.

Однозадачные операционные системы (например, MS-DOS) передают все ресурсы вычислительной системы одному исполняемому приложению и не допускают ни параллельного выполнения другого приложения (полная многозадачность), ни его приостановки и запуска другого приложения (вытесняющая многозадачность). В то же время параллельно с однозадачными операционными системами возможна работа специальных программ, называемых резидентными. Такие программы не опираются на операционную систему, а непосредственно работают с процессором, используя его систему прерываний.

Большинство современных графических операционных систем - многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают:

§ возможность одновременной или поочередной работы нескольких приложений;

§ возможность обмена данными между приложениями;

§ возможность совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

3.2.Вопросы надежности

От того, как операционная система управляет работой приложений, во многом зависит надежность всей вычислительной системы. Операционная система должна предоставлять возможность прерывания работы приложений по желанию пользователя и снятия сбойной задачи без ущерба для работы других приложений. При этом требование надежности операционной системы может входить в противоречие с требованием ее универсальности.

Так, например, наиболее универсальные операционные системы Windows 95,98,2000 могут испытывать общесистемные сбои из-за работы с приложениями, недостаточно четко соблюдающими спецификацию операционной системы. Операционные системы Windows NT , OS/2 и XP обладают повышенной устойчивостью и не выходят из строя при сбое приложений, но имеют меньшую универсальность, и, соответственно, парк доступных приложений для них ограничен.

Поэтому общепринятой является практика, когда программа разрабатывается и отлаживается в операционной системе Windows NT,XP, а ее окончательная сборка и компиляция выполняются в Windows 95/98, 2000.

3.3.Установка приложений

Для правильной работы приложений на компьютере они должны пройти операцию, называемую установкой. Таким образом, дистрибутивный комплект (установочный пакет) программного обеспечения, как правило, представляет собой не законченный программный продукт, а полуфабрикат, из которого в процессе установки на компьютере формируется полноценное рабочее приложение. При этом осуществляется привязка приложения к существующей аппаратно-программной среде и его настройка на работу именно в этой среде.

Устаревшие операционные системы (например, MS-DOS) не имеют средств для управления установкой приложений.

Современные графические операционные системы берут на себя управление установкой приложений. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями, обеспечивают доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств вычислительной системы, формируют общие ресурсы, которые могут использоваться разными приложениями, выполняют регистрацию установленных приложений и выделенных им ресурсов.

3.4.Удаление приложений

Процесс удаления приложений, как и процесс установки, имеет свои особенности и может происходить под управлением вычислительной системы. В таких операционных системах, где каждое приложение самообеспечено собственными ресурсами (например, в MS-DOS), его удаление не требует специального вмешательства операционной системы. Для этого достаточно удалить каталог, в котором размещается приложение, со всем его содержимым.

В операционных системах, реализующих принцип совместного использования ресурсов (например, в Windows 95/98), процесс удаления приложений имеет особенности. Нельзя допустить, чтобы при удалении одного приложения были удалены ресурсы, на которые опираются другие приложения, даже если эти ресурсы были когда-то установлены вместе с удаляемым приложениям. В связи с этим удаление приложений происходит под строгим контролем операционной системы.

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С АППАРАТНЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ

Средства аппаратного обеспечения вычислительной техники отличаются гигантским многообразием. Ни один разработчик программного обеспечения не в состоянии предусмотреть все варианты взаимодействия их со своей программой.

Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления - драйверы. Драйверы имеют точки входа для взаимодействия с прикладными программами, а диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств - это одна из функций операционной системы. Строго говоря, выпуская устройство, его разработчик прикладывает к нему несколько драйверов, предназначенных для основных операционных систем, как-то: Windows 95/98, Windows NT, MS-DOS и т. п.

В операционных системах MS-DOS драйверы устройств загружаются как резидентные программы, напрямую работающие с процессором и другими устройствами материнской платы. Загрузка драйверов устройств может быть ручной или автоматической, когда команды на загрузку и настройку драйверов включаются в состав файлов, автоматически читаемых при загрузке компьютера.

В таких операционных системах, как Windows 95/98 и Windows NT, операционная система берет на себя все функции по установке драйверов устройств и передаче им управления от приложений. Во многих случаях операционная система даже не нуждается в драйверах, полученных от разработчика устройства, а использует драйверы из собственной базы данных.

Каждое подключенное устройство может использовать до трех аппаратных ресурсов устройств материнской платы: адресов внешних портов процессора, прерываний процессора и каналов прямого доступа к памяти. Если устройство подключается к материнской плате через шину PCI, то есть техническая возможность организовать между ним и материнской платой обратную связь. Это позволяет операционной системе анализировать требования устройств о выделении им ресурсов и гибко реагировать на них, исключая захват одних и тех же ресурсов разными устройствами. Такой принцип динамического распределения ресурсов операционной системой получил название plug-and-play, а устройства, удовлетворяющие этому принципу, называются самоустанавливающимися.

Если же устройство подключается к устаревшей шине ISA и не является самоустанавливающимся, то в этом случае операционная система не может динамически выделять ему ресурсы, но, тем не менее, при распределении ресурсов для самоустанавливающихся устройств, она учитывает ресурсы, захваченные им.

5. ОБСЛУЖИВАНИЕ КОМПЬЮТЕРА

Предоставление основных средств обслуживания компьютера - одна из функций операционной системы, она решается внешним образом - включением в базовый состав операционной системы первоочередных служебных приложений.

5.1.Средства проверки дисков

Надежность работы дисков (особенно жесткого диска) определяет не только надежность работы компьютера в целом, но и безопасность хранения данных, ценность которых может намного превышать стоимость самого компьютера. Поэтому наличие средств для проверки дисков является обязательным требованием к любой операционной системе.

Средства проверки принято рассматривать в двух категориях: средства логической проверки, то есть проверки целостности файловой структуры, и средства физической диагностики поверхности. Логические ошибки, как правило, устраняются средствами самой операционной системы, а физические дефекты поверхности только локализуются.

Логические ошибки файловой структуры имеют два характерных проявления: это потерянные кластеры или общие кластеры. Потерянные кластеры образуются в результате неправильного (или аварийного) завершения работы с компьютером. Кроме того, в операционных системах Windows также нельзя выключать компьютер, если не исполнена специальная процедура завершения работы с операционной системой.

Ошибка, проявляющаяся как общие кластеры, характеризуется тем, что, согласно данным FAT-таблиц, два или более файлов претендуют на то, что их данные находятся в одном и том же месте диска. При нормальной работе такой ситуации быть не может, и это свидетельствует об ошибке в.FAT-таблицах. Причиной появления общих кластеров может стать самопроизвольное изменение данных в FAT-таблицах или некорректное восстановление ранее удаленных данных с помощью внесистемных средств.

5.2.Средства «сжатия» дисков

Некоторые операционные системы предоставляют служебные средства для программного «сжатия» дисков путем записи данных на диск в уплотненном виде посредством специального драйвера (резидентного для MS-DOS или работающего в фоновом режиме для Windows).

5.3.Средства управления виртуальной памятью

Ранние операционные системы ограничивали возможность использования приложений по объему необходимой для их работы оперативной памяти.

Современные операционные системы не только обеспечивают непосредственный доступ ко всему полю оперативной памяти, установленной в компьютере, но и позволяют ее расширить за счет создания так называемой виртуальной памяти на жестком диске. Виртуальная память реализуется в виде так называемого файла подкачки. В случае недостаточности оперативной памяти для работы приложения часть ее временно опорожняется с сохранением образа на жестком диске. В процессе работы приложений происходит многократный обмен между основной установленной оперативной памятью и файлом подкачки.

5.4.Средства кэширования дисков

Поскольку, взаимодействие процессора с дисками компьютера происходит намного медленнее операций обмена с оперативной памятью, операционная система принимает специальные меры по сохранению части прочитанных с диска данных в оперативной памяти. В случае, если по ходу работы процессору вновь потребуется обратиться к ранее считанным данным или программному коду, он может найти их в специальной области ОЗУ, называемой дисковым кэшем. В современных операционных системах эту функцию включают в ядро системы, и она работает автоматически, без участия пользователя, хотя определенная возможность настройки размера кэша за ним сохраняется.

5.5.Средства резервного копирования данных

Ценность данных, размещенных на компьютере, принято измерять совокупностью затрат, которые может понести владелец в случае их утраты. Важным средством защиты данных является регулярное резервное копирование на внешний носитель. В связи с особой важностью этой задачи операционные системы обычно содержат базовые средства для выполнения

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-02

≫ Что такое операционная система? Функции, история, виды

Опубликовано: 26 октября 2016 г.

Операционная система (Operating System) - комплекс программ, обеспечивающий выполнение других программ, распределение ресурсов, планирование, ввод/вывод и управление данными.

Функции операционной системы

Операционная система выполняет большое число функций, к которым, в первую очередь, следует отнести:

Интерфейс между пользователем и системой;
Запуск программ на выполнение;
Управление аппаратными ресурсами компьютера, такими как монитор, процессор, память, внешние устройства;
Программную поддержку работы периферийных устройств (монитора, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.);
Обеспечение безопасности данных;
Диагностику неисправностей системы;
Обработку ошибок.

Немного истории

Одной из первых операционных систем, разработанных для персонального компьютера, была операционная система MS DOS . Лишенная графического интерфейса, обладающая очень ограниченными возможностями, она практически завершила свое существование с появлением Windows .

Сначала графическая оболочка Windows 3.1 для MS DOS, а затем полноценные операционные системы - MS Windows 95, Windows NT 4.0, Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10 стали наиболее часто используемыми операционными системами для персональных компьютеров.

Почти одновременно с Windows появилась и начала завоевывать популярность операционная система Linux , перенявшая от операционной системы UNIX идеологию командной строки. С течением времени Linux развил графический интерфейс, не только не уступающий, но во многом превосходящий возможности графического интерфейса операционной системы Windows.

Сейчас все большее число пользователей отдают предпочтение бесплатной, динамично развивающейся операционной системе Linux, отказываясь от операционной системы Windows.

В 1987 году появилась совместно разработанная фирмами Microsoft и IBM операционная система OS/2 , или, как ее называют, «полуось». С 1990 года фирма Microsoft отошла от разработки OS/2, и в настоящий момент только IBM продолжает поддерживать OS/2.

Существуют и другие операционные системы, ориентированные на работу на IBM-совместных персональных компьютерах. В персональных компьютерах Macintosh применяется операционная система MacOS .

Виды операционных систем

Операционные системы бывают:

Бесплатные и платные. Большая часть операционных систем - платные, например, MS Windows. Однако существуют и бесплатно распространяемые операционные системы, например Linux. Вы можете бесплатно получить Linux у того, кто уже обладает этой операционной системой, или скачать Linux из Интернета.
С текстовым интерфейсом , например MS DOS, и с графическим интерфейсом , например Windows и Linux.
Однозадачные и многозадачные. Однозадачные операционные системы, например MS DOS, могут работать только с одной программой. Многозадачные операционные системы, например Windows ХР, OS/2, UNIX, способны одновременно выполнять несколько программ на одном компьютере.
Однопользовательские и многопользовательские , отличающиеся по числу одновременно работающих пользователей. Многопользовательские операционные системы позволяют нескольким пользователям одновременно работать на одном и том же компьютере.
Главное отличие многопользовательских систем от однопользовательских состоит в наличии у каждого пользователя средств защиты информации от несанкционированного доступа других пользователей, работающих на этом компьютере. Чтобы начать работать, человек должен пройти регистрацию в системе: ввести свое учетное имя (account name) и пароль (password).

Подробнее об операционных системах можно прочитать на официальных сайтах фирм производителей.

Билет 1

Понятие ОС. Основные функции ОС.

Причины развития ОС.

1)Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы (ВС) (Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.

· Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

· Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

· Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

· Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

· Обеспечение пользовательского интерфейса.

· Сохранение информации об ошибках системы.

· Дополнительные функции:

· Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

· Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

· Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

· Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

· Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

· Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

· Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа

2) Главные цели разработчиков операционной системы:

· Эффективное использование всех компьютерных ресурсов.

· Повышение производительности труда программистов.

· Простота, гибкость, эффективность и надежность организации вычислительного процесса.

· Обеспечение независимости прикладных программ от аппаратного обеспечения (АО).

Билет2

Системное ПО. Состав системного ПО.

Билет 3

Система управления файлами.

Классификация ОС.

Система управления файлами (СУФ) – организация более удобного доступа к файлам, расположенным на внешних носителях, организованных как файл. Любая СУФ не может работать сама по себе, а предназначена для конкретной ОС

Классификация:
Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.
Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.
Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).
Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование . Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Билет 4

Интерфейсные оболочки. Операционная среда. Эмулятор.

Билет 5

Билет 6

Билет 7

Сервисы, предоставляемые ОС.

Что такое контекст задачи?

1) разработка программ . Операционная система предоставляет программисту разнообразные инструменты и сервисы, например, редакторы и отладчики. Эти сервисы, реализованные в виде программных утилит, которые поддерживают операционные системы, хотя и не входят в его ядро, такие программы называют инструментами разработки приложений ;

2) исполнение программ. Для запуска программы требуется выполнить ряд действий. Следует загрузить в основную память команды и данные, инициализировать устройства. Операционная система выполняет рутинную работу;

3) доступ к устройствам ввода/вывода . Для управления работой каждым устройством ввода/вывода нужен свой набор команд или контролируемый сигнал. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который вскрывает все эти детали и обеспечивает программисту доступ к устройствам ввода/вывода с помощью простых команд чтения и записи;

4) контролируем доступ к файлам . При работе с файлами, управление его стороны операционной системы предназначено не только понимание природы устройств ввода/вывода и знание структур данных записанные в файлах. Многопользовательские операционные системы, кроме того, обеспечивают работу механизмов защиты при обращении к файлам;

5) системы доступа . Операционная система управляет доступом к общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она должна обеспечить защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, также разрешать конфликтные ситуации;

6)обнаружение ошибок и их обработка . При работе компьютерной системы происходят различные сбои, к их числу относятся внутренние и внешние ошибки, возникшие в аппаратном обеспечении, например, ошибки памяти, отказ или сбой устройств, возможны и программные ошибки: арифметическое переполнение, попытка обратиться к ячейке памяти, доступ к которым запущен и невозможность выполнения запроса приложения. В каждом из этих случаев операционная система должна выполнить действие, минимизирующее влияние ошибки на работу приложения. Реакция операционной системы на ошибку может быть различной: от простого сообщения об ошибке, до аварийной остановки программы;

7) учёт использования ресурсов . Хорошая операционная система должна иметь средства учёта использования различных ресурсов и отображение параметров производителя. Эта информация крайне важна для дальнейшего улучшения и настройки система, для повышения производительности.

Контекст задачи состоит из файлов, результатов поиска и другой связанной информации, на которую приходится ссылаться при работе над задачей.

Билет 8

Вычислительный ресурс.

?Системные и прикладные программные модули.

1)Вычислительными ресурсами называются возможности, обеспечиваемые компонентами вычислительной системы, расходуемые (занимаемые) в процессе её работы.

Типы вычислительных ресурсов :

1.Процессорное время

2.Память (оперативная и виртуальная)

3.Место на жёстком диске (постоянная память)

4.Пропускная способность сети.

Программный модуль - согласно ГОСТ 19781-90 - программа или функционально завершенный фрагмент программы, предназначенный для:

1)хранения;
2) трансляции;

3) объединения с другими программными модулями;

4) загрузки в оперативную память.

Различают:
- стандартные модули, входящие в язык программирования; и
- пользовательские модули, предназначенные для упрощения работы программистов.

Билет 9

Билет 10

Билет 11

Граф состояний процесса.

Регистры процессора .

Всякий новый процесс, появляющийся в системе, попадает в состояние готовность . Операционная система, пользуясь каким-либо алгоритмом планирования, выбирает один из готовых процессов и переводит его в состояние исполнение . В состоянии исполнение происходит непосредственное выполнение программного кода процесса. Покинуть это состояние процесс может по трем причинам:

1)либо он заканчивает свою деятельность;

2)либо он не может продолжать свою работу, пока не произойдет некоторое событие, и операционная система переводит его в состояние ожидание ;

3)либо в результате возникновения прерывания в вычислительной системе (например, прерывания от таймера по истечении дозволенного времени выполнения) его возвращают в состояние готовность .

2) В процессоре имеется набор регистров, которые представляют собой область памяти быстрого доступа, намного меньшей емкости, чем основная память.

Регистры в процессоре выполняют 2 ф-ии:

Адресные регистры.

Может быть записана только часть адреса, которая исполняется при вычислении полного или эффективного адреса.

А) индексные регистры используются в обычном режиме адресации, когда адрес получается в рез-те сложения содержимого индексного и базового регистров.

Б) сегментный регистр – при сегментной адресации память разделяется на блоки (сегменты), состоящие из различного кол-ва машинных слов. Адрес ячейки памяти складывается из адреса сегмента и смещения относительно начала сегмента, при этом режиме адресации базовый адрес сегмента хранится в одном из регистров. Таких регистров может быть несколько- один для ОС(когда выполняется код ОС), а другие для исполняющихся приложений(прикладных программ).

3. регистры стека. При стековой адресации выделяется специальный регистр, в котором размещен указатель на вершину стека.

Управляющие регистры. Регистры состояния.

Некоторые регистры доступны для команд исполняемых в режиме управления (режим ОС или режим супервизора).

Программный счетчик содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.

Регистр команд содержит последнюю выбранную из памяти команду. Вт состав всех процессоров входит набор регистров-слова состояния программы. В нем содержится коды условий и др. информация о состоянии выполняемой программы. В управляющих регистрах также содержится биты отдельные, известные как флаги или коды устройства. Эти биты устанавливаются или сбрасываются процессором в зависимости от результата выполняемой операции.

Существуют машинные команды, позволяющие прочитать содержимое всех битов с помощью явных обращений к регистру. Однако изменять содержимое таких регистров нельзя.

Билет 12

Дескриптор процесса.

Билет 13

Дескриптор ОС РВ.

Билет 14

Процессы и потоки.

Билет 15

ОС как диспетчер ресурсов.

2) Компьютер представляет собой набор ресурсов, поддерживающих выполнение задач, накопление, хранение, перемещение и обработки данных, также контролирует работу этих и других функций. Именно операционная система управляет ресурсами компьютера и контролирует его основные функции. Однако это управление имеет следующие особенности: 1) функции операционной системе работают так же, как и всё остальное программное обеспечение, т.е. они реализуются в виде отдельных программ или набора программ, исполняющихся процессов; 2) операционная система должна передавать управление другими процессами и ожидать, когда процессор снова позволит ей выполнить свои обязанности. Операционная система – это, по сущности, набор компьютерных программ, как и любая другая программа, она отдаёт процессору команды. Ключевым отличием является назначение этой программы. Операционная система //способна//: как использовать другие системные ресурсы, и как распределять время при использовании других программ, но для этого процессор должен приостановить работу с ней и перейти к выполнению других программ. Таким образом, операционная система уступает управление процессору, чтобы он смог выполнить некоторую полезную работу, а затем возобновляет контроль ровно на столько, чтобы подготовить процессор к следующей части работы. Часть операционной системы находится в оперативной памяти (основная, базовая). В эту часть входят ядро (Kernel ), содержащее основную часть наиболее часто используемых функций, там же находятся и некоторые другие компоненты операционной системы, использующиеся в данный момент времени. Остальная часть содержит другие программы и данные пользователя. Размещение этих данных в оперативной памяти управляется совместно операционной системой и аппаратной частью процессора, предназначенной для управления памятью. Операционная система принимает решение, когда исполняющая программа может испортить нужные ей устройства ввода/вывода и управляет доступом к файлам Процессор также является ресурсом, которому операционная система должна определить, сколько времени он должен уделить исполнению той или иной пользовательской программы. Многопроцессорные системы: решение должно быть принято по каждому процессу.

Билет 16

Билет 17

Билет 18

Взаимоблокировка процессов.

1) Многоуровневая архитектура появилась как ответ на ограничения монолитной архитектуры в плане расширяемости, переносимости и совместимости. Основная идея многоуровневой архитектуры состоит в следующем:
1. Полная функциональность операционной системы разделяется на уровни, например уровень управления аппаратурой, уровень управления памятью, уровень файловой системы, уровень управления процессами и т.п.
2. Для каждого уровня определяются интерфейс взаимодействия, т.е. некоторый набор правил, согласно которым следует обращаться за услугами данного уровня.

3. Взаимодействие уровней строится таким образом, что каждый уровень может обращаться за услугами только к соседнему нижележащему уровню через его интерфейс.

4. Внутренние структуры данных каждого уровня не доступны другим уровням, а реализации процедур уровня скрыты и не зависят от реализаций процедур внутри других уровней.

Многоуровневая архитектура предполагает взаимодействие между уровнями исключительно через их интерфейсы, при этом внутренняя реализация уровней скрыта от других уровней. Это позволяет в случае необходимости изменять внутренние реализации процедур уровня на более эффективные. Можно даже полностью заменить весь уровень, требуется только обеспечить стандартный интерфейс взаимодействия с другими уровнями.

2) Взаимоблокировка процессов может происходить, когда несколько процессов борются за один ресурс.

Ресурсы бывают выгружаемые и невыгружаемые, аппаратные и программные.

Выгружаемый ресурс - этот ресурс безболезненно можно забрать у процесса (например: память).

Невыгружаемый ресурс - этот ресурс нельзя забрать у процесса без потери данных (например: принтер).

Проблема взаимоблокировок процессов возникает при борьбе за невыгружаемый ресурсы.

Условия необходимые для взаимоблокировки:

Условие взаимного исключения - в какой-то момент времени, ресурс занят только одним процессом или свободен.

Условие удержания и ожидания - процесс, удерживающий ресурс может запрашивать новые ресурсы.

Условие отсутствия принудительной выгрузки ресурса.

Условие циклического ожидания - должна существовать круговая последовательность из процессов, каждый, из которого ждет доступа к ресурсу, удерживаемому следующим членом последовательности.

Билет 19

Структура ОС: экзоядро.

Сформулируйте требования к созданию потоков в прикладной программе.

1) Экзоядро - ядро операционной системы компьютеров, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов. Экзо - приставка, обозначающая нечто внешнее, находящееся снаружи. В традиционных операционных системах ядро предоставляет не только минимальный набор сервисов, обеспечивающих выполнение программ, но и большое количество высокоуровневых абстракций для использования разнородных ресурсов компьютера:оперативной памяти, жестких дисков, сетевых подключений. В отличие от них, ОС на основе экзоядра предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. Экзоядро не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов - эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). Основная идея операционной системы на основе экзоядра состоит в том, что ядро должно выполнять лишь функции координатора для небольших процессов, связанных только одним ограничением - экзоядро должно иметь возможность гарантировать безопасное выделение и освобождение ресурсов оборудования. В отличие от ОС на основе микроядра, ОС, базирующиеся на экзоядре, обеспечивают гораздо большую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.

Билет 20

Многопоточный Web-сервер

Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты.

Веб-сервер - это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, обычно вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными. Веб-серверы - основа Всемирной паутины.

Клиент, которым обычно является веб-браузер, передаёт веб-серверу запросы на получение ресурсов, обозначенных URL-адресами. Ресурсы - это HTML-страницы, изображения, файлы, медиа-потоки или другие данные, которые необходимы клиенту. В ответ веб-сервер передаёт клиенту запрошенные данные. Этот обмен происходит по протоколу HTTP.

Билет 21

Прерывание и цикл команд

1) Систе́ма виртуа́льных маши́н (СВМ) - операционная система для ЕС ЭВМ, аналог системы VM фирмы IBM.

Основные особенности СВМ.

СВМ (VM, и её ранняя версия CP/CMS) - первая система, в которой была реализована технология виртуальных машин. Виртуализация в СВМ была последовательной и полной, в частности, на виртуальной машине можно было запустить другую копию системы СВМ, и так далее. Более того, запуск СВМ на виртуальной машине СВМ был рекомендованным методом генерации новой версии системы для установки. В частности, это означало, что любое реальное устройство ЭВМ могло быть тем или иным методом представлено в виде виртуального устройства на виртуальной машине. До сих пор ни одна другая реализация виртуальных машин не обладает таким свойством.

2) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:

Цикл команд.

Процессор выбирает команду и запускает ее. При этом исполнение программы сводится к выборке и ее исполнению. Для выполнения одной команды может потребоваться несколько операций. Их число определяется природой команд.

Билет 22

Программные модули

Модели потока

1) Программный модуль является самостоятельным программным продуктом. Это означает, что каждый программный модуль разрабатывается, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программных систем при условии выполнения требований, предъявляемых к его использованию в документации к этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство упрощения сложных программ, и как средство накопления и многократного использования программистских знаний.

Модуль характеризуют:

Один вход и один выход. На входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет их обработку и возвращает один набор выходных данных;

Функциональная завершенность. Модуль выполняет набор определенных операций для реализации каждой отдельной функции, достаточных для завершения начатой обработки данных;

Логическая независимость. Результат работы данного фрагмента программы не зависит от работы других модулей;

Слабые информационные связи с другими программными модулями. Обмен информацией между отдельными модулями должен быть минимален;

Размер и сложность программного элемента в разумных рамках.

Таким образом, модули содержат описание исходных данных, операции обработки данных и структуры взаимосвязи с другими модулями.

2) В компьютерных науках пото́к выполне́ния (англ. Thread - нить) является наименьшей единицей обработки, исполнение которой может быть назначено операционной системой. Реализация потоков выполнения и процессов в разных операционных системах отличается друг от друга, но в большинстве случаев поток выполнения находится внутри процесса. Несколько потоков выполнения могут существовать в рамках одного и того же процесса и совместно использовать ресурсы, такие как память, тогда как процессы не разделяют этих ресурсов. В частности, потоки выполнения разделяют инструкции процесса (его код) и его контекст (значения переменных, которые они имеют в любой момент времени). В качестве аналогии потоки выполнения процесса можно уподобить нескольким вместе работающим поварам. Все они готовят одно блюдо, читают одну и ту же кулинарную книгу с одним и тем же рецептом и следуют его указаниям, причём не обязательно все они читают на одной и той же странице.

Билет 23

Классификация ресурсов

1) Во всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различные устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу процессора. Основные общепринятые классы прерываний:

Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. Предположим, что процессор передает данные на принтер по схеме, показанной рис. 1.2. После каждой операции процессор вынужден делать паузу и ждать, пока принтер не примет данные. Длительность этой паузы может быть в сотни и даже тысячи раз больше длительности цикла команды, в которой участвуют обращения к памяти. Ясно, что подобное использование процессора является неэффективным. Такое положение дел проиллюстрировано на рис. 1.5,а. Программа пользователя содержит ряд вызовов процедуры записи WRITE, в промежутках между которыми расположены другие команды. В отрезках 1, 2 и 3 находятся последовательности команд кода, в которых не используется ввод-вывод. При вызове процедуры WRITE управление передается системной утилите ввода-вывода, которая выполняет соответствующие операции. Программа ввода-вывода состоит из трех частей. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 4, которые служат для подготовки к собственно операциям ввода-вывода. В эту последовательность могут входить копирование выводимых данных в специальный буфер и подготовка набора параметров, необходимых для управления устройством. Собственно команды ввода-вывода. Если программа не использует прерываний, ей следует ждать, пока устройство ввода-вывода не выполнит требуемые операции (или периодически проверять его состояние путем опроса). При этом программе не остается ничего другого, как просто ждать, постоянно проверяя, завершилась ли операция ввода-вывода. Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 5, которые служат для завершения операции. Эта последовательность может содержать в себе установку флагов, свидетельствующих об успешном или неудачном завершении операции.

Из-за того что для выполнения операции ввода-вывода может потребоваться сравнительно длительный промежуток времени, программа замедляет работу, ожидая завершения операции. Таким образом, там, где встречается вызов WRITE, производительность программы существенно уменьшается.

2) Термин «ресурс» обычно применяется по отношению к неоднократно используемым, относительно стабильным и «дефицитным» объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом является любой объект, который может распределяться внутри системы. Ресурсы могут быть разделяемыми , когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно(в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми.

Билет 24

Обработка прерываний

Супервизор ОС

Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) - специальная процедура, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание.

Обработчик прерываний - это низкоуровневый эквивалент обработчика событий. Эти обработчики вызываются либо по аппаратному прерыванию, либо соответствующей инструкцией в программе, и соответственно обычно предназначены для взаимодействия с устройствами или для осуществления вызова функций операционной системы.

На современных ПК обработчики основных аппаратных и программных прерываний находятся в памяти BIOS. Современная операционная система, во время своей загрузки, заменяет эти обработчики своими. При загрузке драйверов устройств, операционная система распределяет управление обработкой прерывания между ними. В операционных системах семейства Windows программные прерывания используются для вызовов многих API функций. В ассемблере X86 прерывание вызывается командой int.

2) Управление вводом-выводом осуществляется компонентом операционной системы, который часто называют супервизором ввода-вывода. Перечислим основные задачи, возлагаемые на супервизор.

1) Модуль супервизора операционной системы, иногда называемый супервизором задач, получает запросы от прикладных задач на выполнение тех или иных операций, в том числе на ввод-вывод. Эти запросы проверяются на корректность и, если они соответствуют спецификациям и не содержат ошибок, то обрабатываются дальше. В противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.

2) Супервизор ввода-вывода получает запросы на ввод-вывод от супервизора задач или от программных модулей самой операционной системы.

3) Супервизор ввода-вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод-вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода-вывода задачам, затребовавшим эти устройства). Запрос на ввод-вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение.

4) Супервизор ввода-вывода инициирует операции ввода-вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом-выводом с использованием прерываний предоставляет процессор диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение.

5) При получении сигналов прерываний от устройств ввода-вывода супервизор идентифицирует эти сигналы (см. раздел «Прерывания» в главе 1) и передает управление соответствующим программам обработки прерываний.

6) Супервизор ввода-вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода-вывода.

7) Супервизор ввода-вывода посылает сообщения о завершении операции ввода-вывода запросившей эту операцию задаче и снимает ее с состояния ожидания ввода-вывода, если задача ожидала завершения операции.

Билет 25

Множественные прерывания.

Многопоточный Web-сервер.

1) билет 20

2)Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы. Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного медленнее, чем процессор. несколько прерываний . Например, программа получает данные по коммуникационной линии и сразу же распечатывает результат. Принтер будет генерировать прерывание при каждом завершении операции печати, а контроллер коммуникационной линии - при каждом поступлении новой порции данных. Эта порция может состоять из одного символа или из целого блока, в зависимости от установленного порядка обслуживания. В любом случае возможна ситуаци

New Page 1

Теория операционных систем. Урок 1 . Назначение и функции операционной системы (ОС).

Операционная система (ОС) - это комплекс программного обеспечения, предназначенный для снижения стоимости программирования, упрощения доступа к системе, повышения эффективности работы. Цель создания операционной системы - получить экономический выигрыш при использовании системы, путем увеличения производительности труда программистов (и пользователей) и эффективности работы оборудования.

Функции операционной системы:

связь с пользователем в реальном времени для подготовки устройств к работе, переопределение конфигурации и изменения состояния системы.

выполнение операций ввода-вывода; в частности, в состав операционной системы входят программы обработки прерываний от устройств ввода-вывода, обработки запросов к устройствам ввода-вывода и распределения этих запросов между устройствами.

управление памятью, связанное с распределением оперативной памяти между прикладными программами.

управление файлами; основными задачами при этом являются обеспечение защиты, управление выборкой и сохранение секретности хранимой информации.

обработка исключительных условий во время выполнения задачи: появление арифметической или машинной ошибки, прерываний, связанных с неправильной адресацией или выполнением

вспомогательные, обеспечивающие организацию сетей, использование служебных программ и языков высокого уровня.

Здесь перечислены общие функции ОС. Однако, сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Даже у конкретной операционной системы набор выполняемых функций зачастую определить не так просто - та функция, которая сегодня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, завтра может стать ее неотъемлемой частью и наоборот. Поэтому при изучении операционных систем очень важно из всего многообразия выделить те функции, которые присущи всем операционным системам как классу продуктов.

Разберем классификацию операционных систем и их функциональное назначение более подробно.

Операционные системы для автономного компьютера.

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программных средств, который действует как интерфейс, с одной стороны, между приложениями и пользователями, и, с другой стороны, аппаратурой компьютера. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций:

предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

ОС как виртуальная машина.

Для эффективного решения не обязательно досконально знать аппаратное устройство компьютера и быть в курсе того, как как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Более того, очень часто пользователь может не знать даже системы команд процессора. Пользователь-программист привык иметь дело с мощными высокоуровневыми функциями, которые ему предоставляет операционная система.

Например, при работе с диском достаточно представить диск просто как набор именованных файлов. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи, а затем в закрытии файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами.

Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов. Сразу вспоминаются старые времена, когда файлы хранились на магнитофонных кассетах, и их приходилось искать путем перемотки ленты. К счастью, магнитные диски и операционные системы избавили пользователей ПК от подобного геморроя.

Таким образом, операционная система избавляет как пользователя, так и программиста от необходимости непосредственной работы с аппаратными устройствами компьютера, по сути, превращая компьютер в некую виртуальную машину.

ОС как система управления ресурсами.

Операционная система не только предоставляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа - это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс - это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prgl.exe, где prgl.exe - это имя файла, в котором хранится код программы.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

планирование ресурса - то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
удовлетворение запросов на ресурсы;

отслеживание состояния и учет использования ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

разрешение конфликтов между процессами.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.

Управление процессами.

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов. Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

Часто в информационное описание процесса включатся вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе. Это может быть, например, время, которое процесс потратил, к примеру, на вычисления, а какую на операции ввода/вывода. Также у процесса может быть задан статус, привилегия и так далее.

Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту. Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса.

Управление памятью.

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса. В современных компьютерах такая защита, как правило, производиться на аппаратном уроне.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они могут отличаться, например, количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной области, а в других - в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы границы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существования процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти). В некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других - сегментами переменной длины.

Управление файлами и внешними устройствами.

Способность ОС к «разруливанию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС - файловой системе. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла - простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы - каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого. Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

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 средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.

Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа. Операционная система должна убедиться, что в систему пытается войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Функции защиты ОС вообще очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы - файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, пользователю может быть запрещено выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Администратор может также урезать возможности пользовательского интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню операционной системы, выводимого на дисплей пользователя.

В функцию ОС также входит логирование событий и действий пользователей, например, попытки удачного и неудачного логического входа в систему, операции доступа к некоторым каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС..

Кроме того, для защиты целостности данных во многие ОС входит такая функция, как автоматическое резервное копирование важных данных.

Интерфейс прикладного программирования.

Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым обладает только операционная система. Например, в большинстве современных ОС все действия, связанные с управлением аппаратными средствами компьютера, может выполнять только ОС. Помимо этих функций прикладной программист может воспользоваться набором сервисных функций ОС, которые упрощают написание приложений. Функции такого типа реализуют универсальные действия, часто требующиеся в различных приложениях, такие, например, как обработка текстовых строк. Эти функции могли бы быть выполнены и самим приложением, однако гораздо проще использовать уже готовые, отлаженные процедуры, включенные в состав операционной системы. В то же время даже при наличии в ОС соответствующей функции программист может реализовать ее самостоятельно в рамках приложения, если предложенный операционной системой вариант его не вполне устраивает.

Возможности операционной системы доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.

Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API кажутся им одной и той же ОС, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API. Например, следование общим стандартам API UNIX, одним из которых является стандарт Posix, позволяет говорить о некоторой обобщенной операционной системе UNIX, хотя многочисленные версии этой ОС от разных производителей иногда существенно отличаются внутренней организацией.

Пользовательский интерфейс.

Операционная система должна обеспечивать удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для человека, работающего за терминалом. Этот человек может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом. В ранних операционных системах пакетного режима функции пользовательского интерфейса были сведены к минимуму и не требовали наличия терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выводились на печатающее устройство. Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского интерфейса для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфавитно-цифровыми и графическими.

Работа с сетью.

Важной функцией операционной системы является предоставление пользователю возможность работы с сетевыми устройствами: дургими компьютерами, сетевыми принтерами, факсами и другими устройствами, а также выход в Интернет.

В зависимости от того, какой виртуальный образ создает операционная система для того, чтобы подменить им реальную аппаратуру компьютерной сети, различают сетевые ОС и распределенные ОС. Сетевая ОС предоставляет пользователю некую виртуальную вычислительную систему, работать с которой гораздо проще, чем с реальной сетевой аппаратурой. В то же время эта виртуальная система не полностью скрывает распределенную природу своего реального прототипа, то есть является виртуальной сетью.

При использовании ресурсов компьютеров сети пользователь сетевой ОС всегда помнит, что он имеет дело с сетевыми ресурсами и что для доступа к ним нужно выполнить некоторые особые операции, например отобразить удаленный разделяемый каталог на вымышленную локальную букву дисковода или поставить перед именем каталога еще и имя компьютера, на котором тот расположен. Пользователи сетевой ОС обычно должны быть в курсе того, где хранятся их файлы, и должны использовать явные команды передачи файлов для перемещения файлов с одной машины на другую.

Магистральным направлением развития сетевых операционных систем является достижение как можно более высокой степени прозрачности сетевых ресурсов. В идеальном случае сетевая ОС должна представить пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины. Для такой операционной системы используют специальное название - распределенная ОС, или истинно распределенная ОС. Распределенная ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляет набор сетевых машин работать как виртуальный унипроцессор. Пользователь распределенной ОС, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется его работа. Распределенная ОС существует как единая операционная система в масштабах вычислительной системы. Каждый компьютер сети, работающей под управлением распределенной ОС, выполняет часть функций этой глобальной ОС. Распределенная ОС объединяет все компьютеры сети в том смысле, что они работают в тесной кооперации друг с другом для эффективного использования всех ресурсов компьютерной сети.

Также операционная системе может выполнять функцию сервера, к которому можно обратиться через сеть. Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой. В приведенном выше примере клиентская и серверная части ОС, которые совместно обеспечивают доступ через сеть к файловой системе компьютера, образуют файловую службу. Говорят, что сетевая служба предоставляет пользователям сети некоторый набор услуг. Эти услуги иногда называют также сетевым сервисом (от англоязычного термина «service»). Необходимо отметить, что этот термин в технической литературе переводится и как «сервис», и как «услуга», и как «служба». Хотя указанные термины иногда используются как синонимы, следует иметь в виду, что в некоторых случаях различие в значениях этих терминов носит принципиальный характер.