Операционные системы

 

Содержание

 

 

 

Введение

 

Операционная система (ОС) – фундаментальное звено  в обеспечении взаимосвязи аппаратной части компьютера и прикладными  приложениями.

ОС дает возможность пользователю посредством интерфейса взаимодействовать с программно-аппаратными компонентами компьютера, выполнять необходимые операции и выводить полученные результаты на материальные носители.

Все многообразие функций, выполняемых ОС, отражает ее незаменимую позицию в составе любого компьютера и подчеркивает ее исключительное значение.

Целью данной работы является изучение теоретического материала  об операционных системах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие  задачи:

- рассматриваются понятие, назначение и основные функции ОС;

- исследуется эволюция операционных систем;

- изучается классификация и разновидности операционных систем. 

Объектом исследования - программное и аппаратное обеспечение в компьютере.

Предмет исследования - операционные системы.

При написании работы использованы учебно-методическая литература и материалы Интернет-порталов.

 

 

1 Операционные системы

 

1.1 Определение,  назначение операционной системы

 

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Между программами, как  и между физическими узлами и  блоками существует взаимосвязь  — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого  уровня, то есть мы можем говорить о  межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней (рис. 1).

Уровни программного обеспечения представляют собой  пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается  на программное обеспечение предшествующих уровней.

Рисунок 1 – Уровни программного обеспечения

 

1) Базовый уровень.  Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами.

2) Системный уровень.  Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом  уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения  этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств - они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера.

3) Служебный уровень.  Программное обеспечение этого  уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два  альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование.

4) Прикладной уровень.  Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным  существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе)» то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программы — оборудование.¹

Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

Вычислительная система, ВС - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

Назначение ОС - организация  вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение  вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС. Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.

В программном обеспечении  ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного  процесса. Любая из компонент программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.

В соответствии с условиями  применения различают три режима ОС:

- пакетной обработки,

- разделения времени,

- реального времени.

В режиме пакетной обработки  ОС последовательно выполняет собранные  в пакет задания. В этом режиме пользователь не имеет контакта с ЭВМ, получая лишь результаты вычислений. В режиме разделения времени ОС одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ. В режиме реального времени ОС обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами. Время отклика ЭВМ с ОС реального времени на возмущающее воздействие должно быть минимальным.²

 

1.2 Основные  функции ОС.

 

Основные функции (простейшие ОС):

1) Загрузка приложений  в оперативную память и их выполнение

При включении компьютера операционная система загружается  в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы.

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.

В информационные структуры  процесса часто включаются вспомогательные  данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода могут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставлении ресурсов процессу.

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

Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей.

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

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.

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных  операционных системах является так  называемая виртуальная память. Наличие в ОС механизма виртуальной памяти позволяет программисту писать программу так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, часто существенно превышающего объем имеющейся физической памяти. В действительности все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости частями (сегментами или страницами) отображаются в физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и диском подсистема виртуальной памяти выполняет трансляцию виртуальных адресов, полученных в результате компиляции и компоновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти.

4) Управление энергонезависимой  памятью (Жёсткий диск, Компакт-диск  и т.д.), как правило с помощью  файловой системы

Способность ОС к «экранированию» 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.

При выполнении своих  функций файловая система тесно  взаимодействует с подсистемой  управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

5) 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.³

Дополнительные функции (развитые современные ОС):

1) Параллельное или  псевдопараллельное выполнение  задач (многозадачность);

2) Взаимодействие между  процессами;

3) Межмашинное взаимодействие (компьютерная сеть);

4) Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений;

5) Разграничение прав  доступа и многопользовательский  режим работы (аутентификация, авторизация).⁴

 

 

2. Эволюция операционных систем

2.1 Стандарт CP/M

 

Начало созданию операционных систем для микроЭВМ положила ОС СР/М. Она  была разработана в 1974 году, после  чего была установлена на многих 8-разрядных  машинах. В рамках этой операционной системы было создано программное  обеспечение значительного объема, включающее трансляторы с языков Бейсик, Паскаль, Си, Фортран, Кобол, Лисп, Ада и многих других, текстовые (Текстовые процессоры - это наиболее широко используемый вид прикладных программ. Они позволяют подготавливать документы гораздо быстрее и удобнее, чем с помощью пишущей машинки. Текстовые процессоры позволяют использовать различные шрифты символов, абзацы произвольной формы, автоматически переносят слова на новую строку, позволяют делать сноски, включать рисунки, автоматически нумеруют страницы и сноски и т.д) и табличные процессоры, системы управления базами данных, графические пакеты ( Система управления базами данных (СУБД) - позволяет управлять большими информационными массивами - базами данных), символьные отладчики и другие проблемно ориентированные программы.