Глава 3.2. Операционные системы

Операционная система(ОС) – это комплекс программ, обеспечивающих управление работой компьютера и его взаимодействие с пользователем.

С точки зрения человека операционная система служит посредником между человеком, электронными компонентами компьютера и прикладными программами. Она позволяет человеку запускать программы, передавать им и получать от них всевозможные данные, управлять работой программ, изменять параметры компьютера и подсоединённых к нему устройств, перераспределять ресурсы.

Можно выделить следующие основные задачи, которые решает операционная система.

• Обеспечение работы компьютера.

• Запуск и обеспечение работы любых программ, входящих в ПО.

• Обеспечение взаимодействия между всеми компонентами программного и аппаратного обеспечения (реализация межпрограммных и аппаратно-программных интерфейсов).

• Обеспечение взаимодействия пользователя с программным и аппаратным обеспечением (реализация пользовательского интерфейса).

Первые две функции являются важнейшими, за их выполнение отвечает особая защищенная часть операционной системы, называемая ядром. К функциям ядра относятся также базовые интерфейсные функции, например, базовая поддержка файловой системы. После того как ядро ОС загрузилось в оперативную память и взяло на себя управление компьютером ни одна программа не может изменить содержимое этого ядра. Это необходимо для обеспечения надежности работы системы как с точки зрения защиты от случайных сбоев, так и для защиты от несанкционированного доступа. Защита ядра обеспечивается на аппаратном уровне процессором – после загрузки операционной системы определенная областьRAM – первое кольцо защиты блокируется от изменения данных любыми командами, находящимися вне этого кольца. Кроме первого кольца защиты существуют второе (менее защищенное, чем первое) и третье (незащищенное). Прикладные программы располагаются в третьем кольце, они менее защищены от сбоев и от атак деструктивных программ, но все равно каждое приложение выполняется в собственном адресном пространстве, доступ в которое для других программ закрыт. Это защищает приложения от ошибок друг друга. При сбое в работе одного приложения другие продолжают нормально функционировать. Сбойное же приложение можно завершить.

Разбивка оперативной памяти на кольца защиты поддерживается процессором на аппаратном уровне. Такая возможность была не всегда – ранее, до появления процессора 80386, защищенный режим в ПК отсутствовал.

Вторая часть операционной системы – оболочка ОС– это большое количество программ, выполняющих в первую очередь интерфейсные функции. Это обмен данными с устройствами, запись и чтение файлов, поддержка интерфейса пользователя и др.

Операционные системы для ПК различаются по нескольким параметрам. В частности, ОС бывают:

• однозадачные и многозадачные;

• однопользовательские и многопользовательские;

• сетевые и несетевые.

• 16 – разрядные, 32 –разрядные, 64 – разрядные.

Операционная система может иметь командный или графический многооконный интерфейс (или оба сразу).

Однозадачные операционные системыпозволяют в каждый момент времени решать только одну задачу. Такие системы обычно позволяют запустить одну программу в основном режиме. Примером однозадачной ОС является системаMS DOS.

Многозадачные системыпозволяют запустить одновременно несколько программ, которые будут работать параллельно. Следует отметить, что «параллельность» работы программ здесь понимается в следующем смысле – все программы находятся в оперативной памяти, и в течение достаточно большого с точки зрения компьютера времени (например, за 1 сек) каждая программа успевает на какую-то долю выполниться. Для обеспечения многозадачности на однопроцессорном компьютере операционная система последовательно выделяет каждой программе небольшой промежуток времени для работы (один или несколько квантов). Выделяемые промежутки времени могут быть различными для различных программ - это определяетсяприоритетомпрограммы, устанавливаемом при ее запуске. Многозадачность предоставляет возможность параллельной работы с несколькими приложениями. Пока одно из них занимается, например, печатью документа на принтере или приемом электронной почты из сети Интернет, другое может пересчитывать электронную таблицу или выполнять другую полезную работу. Дальнейшим развитием принципа многозадачности являетсямногопоточность– разбивка каждого приложения на несколько независимыхпроцессовс возможностью одновременного выполнения всех процессов. Например, работая с многопоточной электронной таблицей, пользователь сможет делать перерасчет в одной таблице в то время как будет выполняться печать другой и загрузка в память третьей. Пока один поток находится в состоянии ожидания, например, завершения операции обмена данными с медленным периферийным устройством, другой может продолжать выполнять свою работу. Все современные операционные системы для ПК являются многозадачными и многопоточными.

Главным отличием многопользовательских системотоднопользовательскихявляется 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.

Разрядность ОСопределяется разрядностью процессора(CPU), с которым может работать эта операционная система. Процессор большей разрядности всегда может работать в режиме меньшей разрядности или эмулировать такую работу. Поэтому, например, 16-разрядная ОС может быть установлена на компьютере с 32-разрядным процессором, но эффективность работы будет при этом весьма низкой – все преимущества процессора окажутся незадействованными. Верно и обратное – ОС большей разрядности, как правило, может работать с процессором меньшей разрядности, но при этом окажутся неиспользуемыми возможности операционной системы, хотя под эти возможности будут задействованы компьютерные ресурсы (RAM, дисковое пространство). Из сказанного следует, что для эффективной работы компьютера разрядность операционной системы должна соответствовать разрядности процессора.

В последние годы фактическим стандартом стал графический многооконный интерфейс(GUI), где любые объекты представляются в виде графических образов, а требуемые действия выбираются из оконных и контекстных меню или нажатием экранных кнопок. Однако иногда возникает необходимость пользоваться икомандным интерфейсом, при котором управление компьютером осуществляется набором соответствующих команд на клавиатуре. Как правило, современные ОС обеспечивают обе эти возможности.

В настоящее время широкое распространение получили два типа ОС для ПК.

К первому типу относятся достаточно похожие ОС семейства Windows компанииMicrosoft. Они многозадачные и имеют многооконный графический интерфейс. Операционная системаWindows выросла из системыMS DOS и долгое время использовалаMS DOS в качестве своей основы. До 1995 годаWindows собственно и не была операционной системой, т.к. она не загружалась, а запускалась из-подMS DOS в качестве задачи. Эра ОСWindows началась с появленияWindows-95 в 1995 г. – это уже была полноценная многозадачная операционная система. На сменуWindows-95 в 1998 г. пришлаWindows-98, а затем - не получившая распространенияWindows Millennium. Одновременно сWindows-95 для ПК компанияMicrosoft разработала ОСWindows NT для серверов.Windows NT не использовалаMS DOS в качестве основы, поэтому была достаточно надежной и производительной системой. В ней впервые была реализована высокопроизводительная файловая системаNTFS. ОднакоWindows NT была слишком ресурсоемкой для ПК того времени и плохо поддерживала многие важные для пользователя интерфейсные функции (преобразование шрифтов, работа с периферийным оборудованием и т.д.). Важным этапом в развитии ОС семействаWindows стало появлениеWindows-2000 в 2000г., совместившей преимуществаWindows-98 иWindows NT. Хотя ресурсоемкость Windows-2000 возросла по сравнению сWindows NT, эта система начала активно устанавливаться на ПК – производительность ПК росла гораздо быстрее. На сменуWindows-2000 пришлиWindows XP (наиболее распространенная в настоящее время ОС для ПК) и серверная ОСWindows 2003 Server.

Операционные системы семейства Windows представляет собой 32-разрядные операционные системы, обеспечивающую многозадачную и многопоточную обработку приложений. Они поддерживает удобный графический пользовательский интерфейс, возможность работы в защищенном режиме, совместимость с программами реального режима и сетевые возможности. В Windows реализована технология поддержки самонастраивающейся аппаратурыPlug and Play, допускаются длинные имена файлов и обеспечиваются повышенные характеристики устойчивости.

На рынке персональных компьютеров с WindowsконкурируютОС типа UNIX. Это также многозадачная многопользовательская ОС.В настоящее время разработаны расширения UNIX, обеспечивающие многооконный графический интерфейс. UNIX развивалась в течение многих лет разными компаниями, но до недавнего времени она не использовалась на персональных компьютерах, т.к. требует очень мощного процессора, весьма дорога и сложна, её установка и эксплуатация требуют высокой квалификации. В последние годы ситуация изменилась. Компьютеры стали достаточно мощными, появилась некоммерческая, бесплатная версия системы UNIX для персональных компьютеров - системаLinux. По мере роста популярности этой системы в ней появились дополнительные компоненты, облегчающие установку и эксплуатацию. Немалую роль в росте популярностиLinuxсыграла мировая компьютерная сетьInternet. Хотя освоениеLinuxгораздо сложнее освоения систем типаWindows,Linux- более гибкая и в то же время бесплатная система, что и привлекает к ней многих пользователей.

Существуют и другие ОС. Известная компания Appleпроизводит компьютерыMacintoshс современной ОСMacOSX. Эти компьютеры используются преимущественно издателями и художниками. Фирма IBM производила ОС OS/2, во многом похожую наWindowsNT.