Тема 4.6. Возможности операционной системы

Существуют две группыопределений 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.

Есть приложения вычислительной техники, для которых операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении. Многие простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без операционной системы, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске.

Операционные системы нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;

• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);

• оператор должен иметь возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды — оболочка и наборы утилит — они могут являться частью операционной системы.

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).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

• системные библиотеки;

• оболочка с утилитами.

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Ядро операционной системы

Ядро — центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра.

Как основополагающий элемент операционной системы, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Объекты ядра ОС:

• Процессы

• Файлы

• События

• Потоки

• Семафоры

• Мьютексы

• Каналы

• Файлы, проецируемые в память

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником операционных систем следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950—1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).

Файловые системы и структуры

Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках).

Файловая система — способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

Операционная система- комплекс системный и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение, входящее в BIOS, с другой стороны, сама является опорой для программного обеспечения более высокого уровня - прикладного и служебных приложений. Приложениями ОС принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

1. Основная функция всех ОС - посредническая. Она заключается в обеспечении интерфейсов:

• пользователя (между пользователем и программно-аппаратными средствами По реализации интерфейса пользователя ОС подразделяются на графические и неграфические. Неграфические используют интерфейс командной строки, основным устройством управления которого является клавиатура. Управляющие команды вводятся в поле командной строки. Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса. Работа в графическом интерфейсе основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента выступает указатель мыши, а в качестве пассивных выступают графические элементы управления приложением: кнопки, значки, переключатели, флажки, меню и т.д.

• между программным и аппаратным обеспечением

• между разными видами программного обеспечения

2. Обеспечение автоматического запуска

• Все ОС обеспечивают свой автоматический запуск.Для дисковых ОС в специальной(системной) области диска создаётся запись программного кода. Обращение к этому коду происходит из BIOS. Завершая свою работу программы BIOS дают команду на загрузку и исполнение системной области диска. Диск с системной областью называется системным. На компьютере должен быть как минимум один системный диск.

3. Оганизация файловой системы

• Все дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный. Физический адрес на диске характеризуется тремя параметрами: № поверхности, № цилиндра и № сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и равноудалённых от оси вращения. Наименьшей единицей хранения данных является сектор, его размер 512 байт. Группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера зависит от ёмкости диска. ОС семейства MS DOS _ Windows используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов(FAT - File Allocation Table). Начиная с Windows 98 ОС системы семейства Windows поддерживают FAT32 - с 32 разрядными полями в таблице размещения файлов. ОС Windows NT и Windows XP способны поддерживать совершенно другую файловую систему -NTFS. В ней служебная информация хранится в главной таблице файлов MFT. В этой системе размер кластеров не зависит от размера диска и для больших дисков она работает более эффективно, чем FAT32.

4. Обслуживание файловой структуры. К функциям обслуживания относятся:

• создание файлов Файл - именнованная последовательность байтов произвольной длины. Создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе. Имена файлов могут быть короткими и длинными. В ОС MSDOS имена файлов состояли максимум из 8 символов. В современных ОС полное имя файла (путь к файлу/имя файла.расширение) может содержать до 260 символов. Использование длинных имён имеет свои особенности: - если в имени файла встречаются пробелы, их лучше заменить знаком _подчерка. - В длинных именах файлов можно использовать символы любых алфавитов, но если документ готовиться   для   передачи - лучше воспользоваться латинскими символами.   Расширение имени файла указывает пользователю, исполняющей программе и ОС к какому типу относятся данные, содержащиеся в файле и в каком формате они записаны. ОС регистрирует типы файлов по расширению, поэтому расширения не являются частным делом пользователя. Приложения этих систем при создании нового файла предлагают выбрать имя, расширения же предлагается выбрать из списка, предлагаемого данным приложением.

• создание каталогов(директорий) Каталоги -важные элементы файловой структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам. Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней, каталог самого верхнего уровня - корневой каталог диска. Имена каталогов задаются по тем же правилам, что и имена файлов, но в отличие от файлов, им не требуются расширения, т.к. в каталогах сохраняется информация для ОС зарегистрированных в данном каталоге файлах и каталогах. В графических системах каталоги называют также папками, каждому каталогу на диске соответствует папка в ОС.

• навигация по файловой структуре  В иерархических структурах данных адрес объекта задаётся маршрутом(путём доступа), ведущим от вершины  структуры к объекту. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все  промежуточные каталоги разделяются символом "\"(обратный слэш) в ОС Windows.  С:\Мои документы\Текущие\Рефераты\Операционные_системы.doc

• переименование файлов и каталогов

• копирование и перемещение файлов и каталогов

• управление атрибутами файлов Кроме имени и расширения файлов ОС хранит для каждого файла дату его создания(изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Всего атрибутов 4: -Только для чтения - Read only (можно только просматривать, нельзя вносить изменения) -Скрытый - Hidden (не отображается на экране при проведении файловых операций) -Системный - System (выполняет важные функции ОС, как правило, одновременно имеет атрибут скрытый) -Архивный - Archive (остальные)