Структурное и функциональное определения операционной системы

2. Структура и функции операционной системы

Основной составляющей базового системного ПО является операционная система (ОС), которая устанавливается на жестком диске компьютера и выполняет огромный объем работы, который не виден пользователю. Если условно принять программное обеспечение компьютера за айсберг, то операционную систему можно сравнить с подводной частью айсберга.

Операционная система – это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для того, чтобы обеспечить пользователю, а также системным и прикладным программам, удобный способ общения с компьютером через клавиатуру и манипулятор мышь.

ОС классифицируются по следующим признакам.

Различаютоднопрограммный и мультипрограммный режимыработы ОС. Мультипрограммный –режим, при котором на однопроцессорной системе выполняется несколько программ.
По организации работы в диалоговом режиме различаютоднопользовательские(однотерминальные) и многопользовательские (мультитерминальные) ОС.
Выделяется классОС реального времени, которые отличаются выполнением поступающих команд в заданные промежутки времени, которые нельзя превышать.

ОС состоит из модулей. Файл, содержащий один из модулей ОС, называетсясистемным файлом. Системные файлы находятся в корневом каталоге жесткого диска. При включении компьютера происходит считывание ОС с жесткого диска в оперативную память (загрузка), а также настройка и запуск ОС.

Структура ОС содержит следующие компоненты:

Ядро –это наиболее часто используемые модули ОС, например:

модуль управления системой прерываний;
средства распределения оперативной памяти;
средства распределения ресурсов процессора,

Резидентные программы – это программы, входящие в состав ядра, например, программы-драйверы, управляющие внешними устройствами; при функционировании компьютера резидентные программы постоянно находятся в оперативной памяти,
Командный процессор–программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, а также за взаимодействие этих команд с ядром ОС,
Система управления файлами–программа дляорганизации удобного доступа к файлам.Для каждой ОС разрабатывается своя файловая система.

Основные функцииОС

прием команд пользователя и их обработка;
прием и исполнение запросов на запуск и остановку программ;
загрузка программ, подлежащих выполнению, в оперативную память;
передача управления загруженной программе;
обеспечение работы системы управления файлами;
обеспечение режима мультипрограммирования, т.е. выполнения двух и более программ на одном процессоре;
обеспечение операции ввода-вывода;
распределение памяти;
обеспечение сохранности данных и другие.

3. Разновидности операционных систем

Дисковые операционные системы

В первых компьютерах операционная система отсутствовала, управление осуществлялось на основе простейших языков программирования, которые содержались в ПЗУ, позволяли загружать программы и управлять программой с клавиатуры.

В начале 80-х годов с появлением магнитных дисков была написана первая программа, в которой каждому названию файла присваивались определенные номера дорожек и секторов. Так появиласьдисковая операционная система – DOS. Далее дисковой системе поручили решать и другие задачи, например, записывать, копировать и удалять файлы, исключать повторяющиеся названия и т.п. В связи с необходимостью структурирования возрастающего объема данных появились каталоги файлов, из которых постепенно была создана Файловая структура, которая обслуживалась операционной системой.

Фирма Microsoft (США) с 1981 по 1995 год, постепенно усложняя, выпустила несколько версий системы от MS-DOS1.0 до MS-DOS6.22

Недостатки дисковых операционных систем:

первые операционные системы были построены на текстово-символьном интерфейсе (набор команд с клавиатуры);
на изучение последних версий MS-DOS и решение компьютерных задач требовалось много времени.

Текстовые программы-оболочки

Программа-оболочка – это надстройка операционной системы, которая упрощает работу на компьютере и запускается под управлением операционной системы. Упрощение заключается в выборе команд или файлов из списка вместо набора с клавиатуры.

Самая известная программа-оболочка – NortonCommander, которая наглядно показывает всю файловую структуру, позволяет не запоминать команды, а работать с ними через строку меню. Несмотря на появление более совершенных программ, Norton Commander до настоящего времени используется на многих компьютерах.

Графические оболочки

На смену текстовой программе-оболочке типа Norton Commander пришла графическая оболочка операционной системы. Фирмой Microsoftсначала была создана графическая оболочка Windows1.0, затем появились её версии под номерами 2.0; 3.0; 3.1; 3.11.

Оболочка Windows, которую назвали средой, работала под управлением системы MS-DOS и не являлась самостоятельной операционной системой.

Среда Windows изначально отличалась следующими признаками:

многозадачность;
единый программный интерфейс;
единый интерфейс пользователя;
графический интерфейс;
единый аппаратно-программный интерфейс.

Графические операционные системы

Распространение графических принципов построения программ на всю операционную систему в целом привело к созданиюграфической операционной системы.Лидером в разработке графических систем признана фирма Microsoft, которая с начала 90-х годов создала целый ряд ОС, среди которых можно выделить наиболее известные версии:

WindowsNT – первая графическая операционная система;
Windows95 – наиболее популярная версия 90-х годов;
Windows98 – доработанная 95-я версия;
Windows2000 – система, ориентированная на корпоративного клиента;
WindowsХР – наиболее популярная версия для настольных компьютеров с 2002 года;
Windows7 –популярная система, выпущенная на рынок в 2009 г.;
Windows8 – версия, которая внедряется с 2012 г., включает возможности работы с сенсорными экранами, имеет плиточный интерфейс.

Все версии операционных систем фирмы Microsoft относятся к категории лицензионных и продаются на рынке программных продуктов по коммерческим ценам.

StudFiles.ru

Тема: операционные системы. Программное обеспечение

Операционная система — это целый комплекс управляющих программ, выступающих в качестве интерфейса между компонентами персонального компьютера и обеспечивающих эффективное использование ресурсов ЭВМ. Операционная система обеспечивает взаимосвязь и управление всеми элементами компьютера и выполняемыми программами. Загрузка операционной системы производится при включении компьютера.

Управление операционной системой осуществляется с помощью специальной системы команд, задаваемых пользователем. Без операционной системы компьютер вообще не может функционировать и представляет собой не более чем совокупность электронных устройств.

Операционная система может размещаться в постоянной памяти компьютера или загружается в оперативную память с диска при включении компьютера. Операционные системы, загружаемые с дисков, называются дисковыми операционными системами (DOS -Disk Operating System). К ним относятся MS DOS, Windows, Unix, OS/2.

В любой операционной системе можно выделить 4 основные части: ядро, файловую структуру, интерпретатор команд пользователя и утилиты. Ядро - это основная, определяющая часть операционной системы, которая управляет аппаратными средствами и выполнением программ. Файловая структура - это система хранения файлов на запоминающих устройствах. Интерпретатор команд или оболочка - это программа, организующая взаимодействие пользователя с компьютером. И, наконец, утилиты - это просто отдельные программы, которые, вообще говоря, ничем принципиально не отличаются от других программ, запускаемых пользователем, разве только своим основным назначением - они выполняют служебные функции.

Функции операционной системы в значительной степени зависят от режима работы компьютера, состава и конфигурации аппаратных средств. Основные функции следующие:

• обеспечение диалога между пользователем и компьютером;

• распределение ресурсов компьютера между пользователями;

• поддержка режима коллективного использования компьютера;

• обеспечение эффективного взаимодействия процессора и устройств ввода-вывода; поддержка файловой системы хранения информации на носителях;

• защита и восстановление информации и вычислительного процесса в случае ошибочных действий пользователя и в аварийных ситуациях.

К операционным системам нового поколения относятся: Windows XP; Windows NT; Windows 7; Windows Vista; операционные системы семейства 0S\2, UNIX, LINUX, MacOS.

Операционная система Unix создана в корпорации Bell Laboratory в 1971 году Денисом Ритчи и Кеном Томсоном, авторами и разработчиками языка программирования Си. Операционные системы семейства Windows разрабатываются фирмой Microsoft. Операционная система MacOS выпускается фирмой Apple для компьютеров типа Macintosh. Операционная система DOS выпускалась фирмой Microsoft с 1981 года.

Операционная система сложна и занимает большой объем памяти. Обычно в оперативной памяти ЭВМ находятся только те части операционной системы, с которыми в данный момент работают процессоры. Программы и их части, находящиеся в оперативной памяти, называются резидентными программами. Остальные программы располагаются во внешней памяти. С операционной системой взаимодействуют драйверы — это комплексы программ, выполняющие интерфейсные и управляющие функции.

Приложениями любой операционной системы являются программы, предназначенные для работы под управлением этой операционной системы.

Требования к операционной системе.

Совместимость — означает, что операционная система должна включать средства для выполнения приложений (программ), подготовленных для других операционных систем;

переносимость — означает обеспечение возможности переноса операционной системы с одной аппаратной платформы на другую;

надежность и отказоустойчивость предполагает защиту операционной системы от внутренних и внешних ошибок, сбоев и отказов;

безопасность — означает, что операционная система должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других, должна обеспечивать удобство внесения последующих изменений и дополнений;

производительность — означает, что операционная система должна обладать достаточным быстродействием. Операционная система Windows – это современная и наиболее совершенная операционная система, хранится во внешней памяти компьютера, постоянно развивается и совершенствуется.

Структура операционной системы:

1. Ядро – переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятный компьютеру.

2. Драйверы – программы, управляющие устройствами.

3. Интерфейс – оболочка, с помощью которой пользователь общается с компьютером.

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

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

В состав операционной системы входит специальная программа — командный процессор, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т. д. Операционная система должна эти команды выполнить.

К магистрали компьютера подключаются различные устройства (дисководы, монитор, клавиатура, мышь, принтер и др.). В состав операционной системы входят драйверы устройств — специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами. Любому устройству соответствует свой драйвер.

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

Операционная система содержит также сервисные программы, или утилиты. Такие программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и т. д.), выполнять операции с файлами (архивировать и т. д.), работать в компьютерных сетях и т. д.

Для удобства пользователя в операционной системе обычно имеется и справочная система. Она предназначена для оперативного получения необходимой информации о функционировании как операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

Основу системного программного обеспечения составляют программы, входящие в операционные системы компьютеров.

Основные функции ОС:

- выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.);

- загрузка программ в оперативную память и их выполнение;

- 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 жесткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе;

- обеспечение пользовательского интерфейса;

- сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции ОС:

- параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);

- эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами;

- разграничение доступа различных процессов к ресурсам;

- организация надежных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основанная 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.

Запуск компьютера. При поступлении сигнала о запуске процессор обращается к специально выделенной ячейке памяти. В ОЗУ в этот момент ничего нет, если бы там была какая-либо программа, то она начала бы выполнятся.

Для того чтобы компьютер мог начать работу необходимо наличие специальной микросхемы – ПЗУ. Программы ПЗУ записываются на заводе и называются BIOS.

После включения компьютера процессор начинает считывать и выполнять микрокоманды, которые хранятся в микросхеме BIOS. Прежде всего начинает выполняться программа тестирования POST, которая проверяет работоспособность основных устройств компьютера. В случае неисправности выдаются определенные звуковые сигналы, а после инициализации видеоадаптера процесс тестирования отображается на экране монитора.

Затем BIOS начитает поиск программы-загрузчика операционной системы. Программа-загрузчик помещается в ОЗУ и начинается процесс загрузки файлов операционной системы.

Загрузка операционной системы. Файлы операционной системы хранятся во внешней, долговременной памяти (на жестком диске, на CD). Однако программы могут выполняться, только если они находятся в ОЗУ, поэтому файлы ОС необходимо загрузить в оперативную память.

Диск, на котором находятся файлы операционной системы и с которого происходит загрузка, называют системным. Если системные диски в компьютере отсутствуют, на экране монитора появляется сообщение "Non system disk" и компьютер «зависает», т. е. загрузка операционной системы прекращается и компьютер остается неработоспособным.

После окончания загрузки операционной системы управление передается командному процессору. В случае использования интерфейса командной строки на экране появляется приглашение системы для ввода команд, в противном случае загружается графический интерфейс операционной системы. В случае загрузки графического интерфейса операционной системы команды могут вводиться с помощью мыши.

StudFiles.ru

Функции операционной системы

В вычислительной системе ОС выполняет ряд специфических функций, отличающих ее от других программных продуктов. Все эти специфические признаки делятся на 4 класса, которые можно определить как основные или фундаментальные функции ОС:

1.Тестирование аппаратуры и начальная загрузка самой себя в вычислительную систему.

2.Контроль за вычислениями (управление процессами и их взаимодействием).

3.Контроль за распределением ресурсов.

4.Поддержка различного уровня интерфейсов, в том числе и пользовательского.

Можно определить и более мелкие задачи, решаемые операционной системой. Они относятся к той или иной фундаментальной задаче ОС и могут в разной степени реализоваться в различных системах:

-Загрузка и обработка пользовательских программ (инициализация; идентификация задач и данных; планирование и диспетчеризация задач, организация их взаимодействия; связь с устройствами и т.д.)

-Управление памятью (распределение памяти; работа с долговременной памятью; файловая система; встроенные функции для работы с СУБД - в некоторых ОС).

-Поддержка операций ввода-вывода и работы с устройствами ввода-вывода.

-Унификация доступа к периферийным устройствам (терминалы, модемы, печатающие устройства, устройства управления в специализированных системах).

-Предоставление пользовательского интерфейса и поддержка внутрисистемных функций для разработки межпрограммных интерфейсов.

-Поддержка параллельного или псевдопараллельного исполнения нескольких задач (распределение ресурсов между задачами и организация взаимодействия между ними; защита одной задачи от другой).

-Дополнительные средства защиты от неправомерных действий пользователя (авторизация проверка прав пользователя; аутентификация - проверка того, является ли пользователь тем, за кого себя выдает; другие средства обеспечения безопасности).

Классификация ОС

ОС могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

I. Особенности алгоритмов управления ресурсами

1.Многозадачные ОС – ОС, которые позволяют выполнять одновременно несколько задач (Windows, Unix).

2.Однозадачные ОС – это ОС, в которой в каждый момент времени может выполняться только одна задача (MSDOS).

3.Многопользовательские ОС – это такие ОС, которые обеспечивают возможность изоляции некоторой информации пользователей друг от друга (Windows NT,2000).

4.Однопользовательские ОС – ОС, в которых нет поддержки изоляции некоторой информации пользователей друг с другом (MSDOS, Windows 3.1).

5.Многопроцессорные ОС – это ОС, обеспечивающие параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

6.ОС с не вытесняющей многозадачностью – это такие ОС, в которых каждый процесс выполняется до тех пор, пока он сам не закончит или не приостановит свою деятельность (Windows3.1).

7.ОС с вытесняющей многозадачностью – это такие ОС, в которых приостановка процесса или прекращение деятельности процесса может производиться как самим процессом, так и ОС (Windows NT, Unix).

8.Многонитиевые ОС – это ОС, обеспечивающие параллельное выполнение нескольких нитей. Нить – это отдельный процесс какой-либо задачи, которая может одновременно выполняться с другими процессами этой же задачи.

II. Особенности аппаратных платформ

1.ОС ПК. Данные ОС предназначены в основном для обеспечения удобного интерфейса между человеком и компьютером. Критерием эффективности является удобство ее интерфейса.

2.ОС мини- и микро-компьютеров. Эти ОС в основном предназначены для решения научных и вычислительных задач и основным критерием эффективности таких ОС является максимальное быстродействие.

3.ОС сетевые – это ОС, обеспечивающие эффективный механизм обмена информацией между узлами сети. (Windows NT, 2000, Unix).

III. Особенности областей использования

1.ОС пакетной обработки (ЕС) – это ОС, которые предназначены для решения задач в основном вычислительного характера. Главным критерием эффективности такой ОС является решение максимального количества задач за какой-то промежуток времени, т.е. пропускная способность.

2.Системы разделения времени (Windows) – это такие ОС, которые обеспечивают возможность одновременной работы нескольких пользователей. Для этого вводится такое понятие как квант. Квант – промежуток времени, отводимый каждому пользователю, по истечении которого ОС переключается с выполнения задач одного пользователя на задачи другого пользователя.

3.Системы реального времени (QNX) – это ОС для управления различными процессами. Основным критерием эффективности работы такой системы является гарантия выполнения определенных действий к определенному моменту или за определенный промежуток времени (реактивность).

studopedia.ru

/ К9-12В. Вопросы и ответы к ГОСам 2013 / Операционные системы / 01. Понятие ОС. Типы ОС. Обобщенная структура ОС. Общая характеристика ОС семейства UNIX

Понятие ОС. Типы ОС. Обобщенная структура ОС. Общая характеристика ОС семейства UNIX.

Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS)— комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

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

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

Основные функции ОС:

- исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.);

- загрузка программ в оперативную память и их выполнение;

- 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 ОС:

- 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;

- многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см.: аутентификация, авторизация).

Компоненты операционной системы:

- загрузчик (системное ПО программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера: обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера, загружает ядро операционной системы в ОЗУ, передаёт управление ядру операционной системы);

- ядро;

- командный процессор (интерпретатор);

- драйверы устройств;

- интерфейс.

Существуют две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

* использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным);

* многопользовательские (с разделением полномочий);

* многозадачные (с разделением времени).

Операционные системы разделяют по определенным типам:

* однозадачные - многозадачные;

* многопользовательские - однопользовательские;

* графические (с наличием GUI) - текстовые (только командная строка);

* бесплатные - платные;

* открытые (с возможностью редактировать исходный код) - закрытые (без возможности редактировать исходный код);

* клиентские - серверные;

* высокая стабильность (устойчивость к сбоям аппаратной части)- низкаястабильность;

* 16-разрядная - 32-разрядная - 64-разрядная

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

системы пакетной обработки (например, OCEC),
системы разделения времени (UNIX,VMS),
системы реального времени (QNX,RT/11).

Системы пакетной обработкипредназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат.Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Системы разделения временипризваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времениприменяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Общий взгляд на архитектуру UNIX

Самый общий взгляд позволяет увидеть двухуровневую модель системы так, как она представлена на рис. В.1.

В центре находится ядро системы. Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам. К услугам ядра относятся операции ввода-вывода (открытия, чтения, записи и управления файлами), создания и управления процессами, их синхронизации и межпроцессного взаимодействия. Все приложения запрашивают услуги ядра посредством системных вызовов.

Второй уровень составляют приложения или задачи, как системные, определяющие функциональность системы, так и прикладные, обеспечивающие пользовательский интерфейс UNIX. Однако, несмотря на внешнюю разнородность приложений, схемы их взаимодействия с ядром одинаковы.

Рассмотрим более внимательно отдельные компоненты ядра системы.

Ядро системы

Ядро обеспечивает базовую функциональность операционной системы: создает процессы и управляет ими, распределяет память и обеспечивает доступ к файлам и периферийным устройствам.

Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного интерфейса системных вызовов. Интерфейс системных вызовов представляет собой набор услуг ядра и определяет формат запросов на услуги. Процесс запрашивает услугу посредством системного вызова определенной процедуры ядра, внешне похожего на обычный вызов библиотечной функции. Ядро от имени процесса выполняет запрос и возвращает процессу необходимые данные.

В приведенном примере программа открывает файл, считывает из него данные и закрывает этот файл. При этом операции открытия (open), чтения (read) и закрытия (close) файла выполняются ядром по запросу задачи, а Функции open (2), read(2) и close (2) являются системными вызовами:

main(){

int fd; char buf[80];

/* Откроем файл — получим ссылку (файловый дескриптор) fd*/

fd=open("filei", 0_RD0NLY);

/*Считаем в буфер buf80 символов*/

read(fd, buf, sizeof(buf));

/*Закроем файл*/

close(fd);

}

Структура ядра представлена на рис. В.2.

Ядро состоит из трех основных подсистем:

1. Файловая подсистема;

2. Подсистема управления процессами и памятью;

3. Подсистема ввода-вывода.

Файловая подсистема

Файловая подсистема обеспечивает унифицированный интерфейс доступа к данным, расположенным на дисковых накопителях, и к периферийным устройствам. Одни и те же функции open (2), read(2), write (2) могут использоваться как при чтении или записи данных на диск, так и при выводе текста на принтер или терминал.

Файловая подсистема контролирует права доступа к файлу, выполняет операции размещения и удаления файла, а также выполняет запись/чтение данных файла. Поскольку большинство прикладных функций выполняется через интерфейс файловой системы (в том числе и доступ к периферийным устройствам), права доступа к файлам определяют привилегии пользователя в системе.

Файловая подсистема обеспечивает перенаправление запросов, адресованных периферийным устройствам, соответствующим модулям подсистемы ввода-вывода.

Подсистема управления процессами и памятью

Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или более процессов (или задан).

Подсистема управления процессами контролирует:

* создание и удаление процессов;

* распределение системных ресурсов (памяти, вычислительных ресурсов) между процессами;

* синхронизацию процессов;

* межпроцессное взаимодействие.

Очевидно, что в общем случае число активных процессов превышает число процессоров компьютера, но в каждый конкретный момент времени на каждом процессоре может выполняться только один процесс. Операционная система управляет доступом процессов к вычислительным ресурсам, создавая ощущение одновременного выполнения нескольких задач.

Специальная задача ядра, называемая распорядителем или планировщиком процессов (scheduler), разрешает конфликты между процессами в конкуренции за системные ресурсы (процессор, память, устройства ввода-вывода). Планировщик запускает процесс на выполнение, следя за тем, чтобы провес монопольно не захватил разделяемые системные ресурсы. Процесс освобождает процессор, ожидая длительной операции ввода-вывода, или по прошествии кванта времени. В этом случае планировщик выбирает следующий процесс с наивысшим приоритетом и запускает его на выполнение.

Управления памятью обеспечивает размещение оперативной памяти прикладных задач. Оперативная память является дорогостоящим ресурсом и, как правило, ее редко бывает "слишком много". В случае, когда для всех процессов недостаточно памяти, ядро перемещает части процесса или нескольких процессов во вторичную память (как правило, в специальную область жесткого диска), освобождая ресурсы для выполняющегося процесса. Все современные системы реализуют так называемуювиртуальную память: процесс выполняется в собственном логическом адресном пространстве, которое может значительно превышать доступную физическую память. Управление виртуальной памятью процесса также входит в задачи модуля управления памятью.

Модуль межпроцессного взаимодействия отвечает за уведомление процессов о событиях с помощью сигналов и обеспечивает возможность передачи данных между различными процессами.

Подсистема ввода-вывода

Подсистема ввода-вывода выполняет запросы файловой подсистемы и подсистемы управления процессами для доступа к периферийным устройствам (дискам, магнитным лентам, терминалам и т. д.). Она обеспечивает необходимую буферизацию данных и взаимодействует сдрайверами устройств — специальными модулями ядра, непосредственно обслуживающими внешние устройства.

StudFiles.ru

Операционные системы

Частью программного обеспечения, наиболее тесно взаимодействующей с аппаратной частью компьютера, является системное программное обеспечение и, прежде всего операционная система.

Операционная система играет роль посредника между пользователем, программами и оборудованием компьютера. Она обеспечивает возможность запуска программ, поддерживает работоспособность устройств, предоставляет средства проверки и настройки различных компонентов. Чем гибче и многофункциональнее операционная система, тем больше возможностей она предоставляет, тем удобнее работать с компьютером.

Операционная система (ОС) – это комплекс (набор) программ, который обеспечивает взаимодействие всех устройств ЭВМ и позволяет пользователю осуществлять общее управление ЭВМ.

Главное назначение ОС – управление ресурсами, а главные ресурсы, которыми она управляет, – это аппаратура компьютера. ОС управляет вычислительным процессом и информационным обменом между процессором, памятью, внешними устройствами.

Поскольку все устройства компьютера работают одновременно, ОС обеспечивает разделение ресурсов, предотвращая тем самым опасность возникновения конфликтных ситуаций между компонентами вычислительной системы, способных привести к сбою в работе, потере или искажении информации.

ОС реализует много различных функций, в том числе:

- создает рабочую среду и поддерживает пользовательский интерфейс;

- обеспечивает выполнение команд пользователя и программных инструкций;

- управляет аппаратными средствами компьютера;

- обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между программами;

- планирует доступ пользователей к общим ресурсам;

- обеспечивает выполнение операций ввода–вывода, хранения информации и управление файловой системой;

- осуществляет восстановление информации в случае аппаратных сбоев и программных ошибок.

Развитие операционных систем всегда следовало за развитием аппаратуры.

Операционная система - это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого - организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны.

Операционную систему составляют:

- управляющая программы;

- набор утилит, необходимых для эксплуатации операционной системы.

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.

В функции операционной системы входит:

- осуществление диалога с пользователем;

- ввод-вывод и управление данными;

- планирование и организация процесса обработки программ;

- распределение ресурсов (оперативной памяти и кэша, процессора, внешних устройств);

- запуск программ на выполнение;

- всевозможные вспомогательные операции обслуживания;

- передача информации между различными внутренними устройствами;

- программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, принтера и др.).

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система 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.

Требования к современным операционным системам:

- совместимость – ОС должна включать средства для выполнения приложений, подготовленных для других ОС;

- переносимость – обеспечение возможности переноса ОС с одной аппаратной платформы на другую;

- надежность и отказоустойчивость – предполагает защиту ОС от внутренних и внешних ошибок, сбоев отказов;

- безопасность – ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних пользователей от других;

- расширяемость – ОС должна обеспечивать удобство внесения последующих изменений и дополнений;

- производительность – система должна обладать достаточным быстродействием.

Классификация ОС

По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС:

- однозадачные (MS DOS, ранние версии PS DOS);

- многозадачные (OS/2, UNIX, Windows)

Многозадачность бывает:

- невытесняющая (Net Ware, Windows 95/98), когда активный процесс по окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого процесса;

- вытесняющая (Windows NT, OS/2, UNIX) - решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимает ОС.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делят:

- однопользовательские (MS DOS, Windows 3х, ранние версии OS/2)

- многопользовательские (UNIX, Windows 2000, NT, XP, Vista). В многопользовательских системах присутствуют средства защиты информации пользователей от несанкционированного доступа.

В настоящий момент около 90% компьютеров используют ОС Windows.

Различают четыре основных класса операционных систем:

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

2. 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;

3. 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;

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

Операционная система для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

- программы управления вводом/выводом;

- программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;

- процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные операционной системе.

Каждая операционная система имеет свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия:

- обращаться к каталогу;

- выполнять разметку внешних носителей;

- запускать программы;

- другие действия.

Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор операционной системы.

Для управления внешними устройствами компьютера используются специальные системные программы — драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода (BIOS), которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера.

Краткая характеристика некоторых операционных систем

ОС Linux – сетевая ОС, ядро которой разработано на базе ОС Unix. Linux распространяется в исходных кодах и применяется для создания серверов в вычислительных сетях и в Интернете.

ОС Unix – многопользовательская, многозадачная ОС, включает достаточно мощные средства защиты программ и файлов различных пользователей. ОС Unix является машинонезависимой, что обеспечивает высокую мобильность ОС и легкую переносимость прикладных программ на компьютеры различной архитектуры.

Важной особенностью и обширным набор сервисных программ, которые позволяют создать благоприятную операционную обстановку для пользователей – программистов (т.е. система особенно эффективна для специалистов – прикладных программистов).

Операционная система: назначение и состав

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пользователь имеет возможность вручную установить или переустановить драйверы.

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

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

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

studopedia.ru