Вятский государственный гуманитарный университет
Опубликован: 27.05.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 2592 / 523 | Длительность: 09:17:00
Лекция 1:

Введение в операционные системы

Лекция 1 || Лекция 2 >
Аннотация: Функции операционной системы. Структура операционной системы. Классификация операционных систем. Требования к операционным системам.

Операционная система (operating system) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).

Компоненты вычислительной системы

Рис. 1.1. Компоненты вычислительной системы

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение (ПО, software) и оборудование или аппаратное обеспечение (hardware). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО.

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа (приложение, application). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word), графические редакторы (Paint, Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server), браузеры (Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением (application software).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio.

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы, выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие (архивирование) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов (system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует APIApplication Programming Interface (интерфейс прикладного программирования).

Далее рассмотрим, какие функции должны выполнять современные операционные системы.

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

  • обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
  • управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
  • управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
  • управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
  • предоставление пользовательского интерфейса;
  • обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
  • организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) [12].

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур [6]. В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

  • монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
  • микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
  • гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [5; 2]. В [2] говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 "Архитектура Windows"), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

  • системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
  • пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

  • текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
  • графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

  1. По способу организации вычислений:
    • системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
    • системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
    • системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
  2. По типу ядра:
    • системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
    • системы с микроядром (microkernel operating systems);
    • системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
  3. По количеству одновременно решаемых задач:
    • однозадачные (single-tasking operating systems);
    • многозадачные (multitasking operating systems).
  4. По количеству одновременно работающих пользователей:
    • однопользовательские (single-user operating systems);
    • многопользовательские (multi-user operating systems).
  5. По количеству поддерживаемых процессоров:
    • однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
    • многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
  6. По поддержке сети:
    • локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
    • сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
  7. По роли в сетевом взаимодействии:
    • серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
    • клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
  8. По типу лицензии:
    • открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
    • проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
  9. По области применения:
    • операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
    • операционные системы серверов (server operating systems);
    • операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
    • операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
    • встроенные операционные системы (embedded operating systems);
    • операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

Требования к операционным системам

Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные [3]:

  • расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
  • переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
  • совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
  • надежность – вероятность безотказной работы системы;
  • производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

Резюме

В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

Контрольные вопросы

  1. Дайте определение понятию "операционная система".
  2. Назовите примеры прикладного, инструментального и системного программного обеспечения.
  3. Дайте определение понятий "системный вызов", "API", "драйвер", "ядро".
  4. Какие виды ядер вы знаете? К каким видам относятся ядра известных вам операционных систем?
  5. Чем ядро отличается от операционной системы?
  6. Приведите несколько способов классификации операционных систем.
  7. Назовите требования к современным операционным системам и объясните, что они означают.
Лекция 1 || Лекция 2 >
Виктория Николаева
Виктория Николаева
Марина Гольченко
Марина Гольченко
Екатерина Мезенцева
Екатерина Мезенцева
Россия
Анастасия Пахутина
Анастасия Пахутина
Россия, Москва, Московский Государственный Университет им.М.В.Ломоносова, 2009