30. Операционные системы: назначение, классификация, примеры

Основы операционных систем (ОС). Назначение и функции ОС. Классификация ОС. Требования к ОС.  Операционная система (ОС) - это упорядоченная последовательность системных управляющих программ совместно с необходимыми информационными массивами, предназначенная для планирования исполнения пользовательских программ и управления всеми ресурсами вычислительной машины (программами, данными, аппаратурой, и др.) с целью предоставления возможности пользователям эффективно (в некотором смысле) решать задачи, сформулированные в терминах вычислительной системы.

Вообще, ОС - это довольно расплывчатое понятие, опирающееся на определенные традиции, параметры оборудования, размеры программ, реализующих определенные функции, а также распределение

обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную память и их исполнение

обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски и т.д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные

предоставлять более или менее стандартный доступ к различным устройствам ввода/вывода, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства

предоставлять некоторый пользовательский интерфейс. Слово некоторый здесь сказано не случайно - часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из средств интерфейса пользователя

Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа - дисковая операционная система MS DOS.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

параллельное (точнее, псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач

распределение ресурсов компьютера между задачами

организация взаимодействия задач друг с другом

взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами

организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов

защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ

Назначение операционной системы

Операционная система (ОС) - это комплекс программного обеспечения, предназначенный для снижения стоимости программирования, упрощения доступа к системе, повышения эффективности работы.

Цель создания операционной системы - получить экономический выигрыш при использовании системы, путем увеличения производительности труда программистов и эффективности работы оборудования.

Функции операционной системы:

- связь с пользователем в реальном времени для подготовки устройств к работе, переопределение конфигурации и изменения состояния системы.

- выполнение операций ввода-вывода; в частности, в состав операционной системы входят программы обработки прерываний от устройств ввода-вывода, обработки запросов к устройствам ввода-вывода и распределения этих запросов между устройствами.

- управление памятью, связанное с распределением оперативной памяти между прикладными программами.

- управление файлами; основными задачами при этом являются обеспечение защиты, управление выборкой и сохранение секретности хранимой информации.

- обработка исключительных условий во время выполнения задачи

- появление арифметической или машинной ошибки, прерываний, связанных с неправильной адресацией или выполнением привилегированных команд.

- вспомогательные, обеспечивающие организацию сетей, использование служебных программ и языков высокого уровня.

Вверх

Вариантов классификации ОС может быт очень много, они зависят от признака, по которому одна ОС отличается от другой:  - по назначению;  - по режиму обработки;  - по способу взаимодействия с системой;  - по способу построения.  Основным предназначением ОС является:  - организация эффективных и надежных вычислений;  - создание различных интерфейсов для взаимодействия с этими вычислениями и самой вычислительной системой.  ОС разделяют по назначению:  - ОС общего назначения;  - ОС специально назначения.  ОС специального назначения подразделяются на следующие:  - для переносимых компьютеров и встроенных систем;  - для организации и ведения баз данных;  - для решения задач реального времени и т.д.  ОС разделяют по режиму обработки задач:  - однопрограммный режим;  - мультипрограммный режим.  Мультипрограммирование – способ организации вычислений, когда на однопроцессной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких задач. Любая задержка в выполнении одной программы используется для выполнения других программ.  Мультипрограммный и многозадачный режимы близки по смыслу, но синонимами не являются.  Мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, а программисты, создающие эти приложения, не должны заботиться о механизме организации их параллельной работы. Эти функции выполняет ОС, которая распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, обеспечивает необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие.  Мультизадачный режим предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится на прикладных программистов.  Современные ОС для ПК реализуют и мультипрограммный, и многозадачный режимы.  По организации работы в диалоговом режиме ОС делятся на следующие:  - однопользовательские (однотерминальные);  - мультитерминальные.  В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала, при этом у пользователей возникает иллюзия, что у него имеется своя собственная вычислительная система. Для организации мультитерминального доступа необходим мультипрограммный режим работы вычислительной системы.  Основная особенность операционных систем реального времени (ОСРВ) – обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий не является планомерным и не регулируется оператором, т.е. задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В ОСРВ в общем случае отсутствуют накладные расходы процессорного времени на этап инициирования (загрузку программы, выделение ресурсов), так как набор задач обычно фиксирован и вся информация о задаче известна до поступления запроса. Для реализации режима реального времени необходим режим мультипрограммирования, который является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для задач реального времени производительность – решающий фактор. Лучшие по производительности характеристики для систем реального времени обеспечивают однотерминальные ОСРВ.  По способам построения (архитектуре) ОС подразделяются на следующие:  - микроядерные;  - монолитные.  Это деление условно. К микроядерным ОС относится ОСРВ QNX, а к монолитным – Windows 9x и Linux. Для ОС Windows 9x пользователь не может изменить ядро, так как не располагает исходными кодами и программой сборки ядра. Для ОС Linux такая возможность предоставлена, пользователь может сам собрать ядро, включив в него необходимые программные модули и драйверы.

Сегодня к ОС предъявляется множество требований. Главными из них, конечно же, являются выполнение функций эффективного управления ресурсами вычислительной системы и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Кроме того, можно выделить ряд основных требований, которым должна удовлетворять любая современная ОС.  Производительность. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС оказывает влияние множество факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие реализуемых ею функций, количество ресурсов, потребляемых самой ОС для выполнения поставленных перед ней задач, качество программного кода.  Надежность. Это требование ОС определяется архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством реализации, обратно пропорциональным количеству ошибок в комплексе программ, составляющих ОС.  Защищенность. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемы, а приложения не должны иметь возможности наносить вред. Современная ОС защищает данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа и от попыток непреднамеренного повреждения этих данных.  Расширяемость. ОС является расширяемой, если в нее можно вносить дополнения и изменения, не нарушая целостности системы. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Такая архитектура позволяет в случае необходимости добавлять новые или удалять ненужные компоненты. Однако простота, с которой пользователь или системный программист сможет производить такие функциональные изменения, определяется совершенством и продуманностью применяемых при построении системы решений.  Переносимость. В идеальном случае ОС должна легко переноситься с одного типа аппаратной платформы на другой. Реально это далеко не всегда быстро и легко выполнимая задача. Как правило, ОС разрабатывается для определенного типа аппаратных платформ и перенос ее на платформу с принципиально иным строением может стать трудной задачей.  Совместимость. ОС всегда изменяются со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ими новых свойств, добавлении новых и модификации имеющихся функций. Под требованием совместимости понимается сохранение возможности использования прикладных программ, написанных для “старой” или вообще другой ОС, в новой ОС.  Удобство. Средства ОС должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю. Современные ОС ориентированы на обеспечение пользователю максимально возможного удобства при работе с ними. Необходимым условием этого стало наличие у ОС графического пользовательского интерфейса и всевозможных мастеров – программ, автоматизирующих установку, настройку и эксплуатацию системы.