Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров.pdf

Введение

Актуальность изучения современных цифровых технологий не вызывает сомнений. Специфическими чертами большинства исследовательских программ IT является прагматичность и утилитарность, что не удивительно, так как высокие технологии являются важнейшей отраслью экономик развитых и развивающихся держав. Очевидно, что эта отрасль неоднородна и включает в себя множество производственных практик, призванных к решению отдельных задач.

На сегодняшний день, операционная система — это первый и основной набор программ, загружающийся в компьютер.

Операционная система — комплекс программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, организующий работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющий ввод и вывод данных.

Функции ОС можно разделить на интерфейсные и внутренние.

Интерфейсные:

- управление аппаратными средствами, устройствами ввода-вывода;

- файловая система;

- поддержка многозадачности (разделение использования памяти, времени выполнения);

- ограничение доступа, многопользовательский режим работы (если взять к примеру DOS, то он не может быть многопользовательским);

- сеть.

Внутренние функции:

- Обработка прерываний;

- Виртуальная память;

- Планировщик задач;

- Буферы ввода-вывода;

- Обслуживание драйверов устройств.

Операционные системы нужны: если нужен универсальный механизм сохранения данных; для предоставления системным библиотекам часто используемых подпрограмм; для распределения полномочий; необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере; для управления процессами выполнения отдельных программ.

За время существования компьютеров операционные системы претерпели значительную эволюцию. Так, первые операционные системы были однопользовательскими и однозадачными. Эффективность использования ресурсов компьютера в этом случае оказывалось невысокой из-за простоев всех, кроме одного работающего периферийного устройств компьютера. Например, при вводе данных простаивал центральный процессор, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.

По мере роста возможностей, производительности и изменениях в соотношении стоимости устройств компьютера положение стало нетерпимым, что привело к появлению многозадачных операционных систем, остававшихся однопользовательскими.

Такие операционные системы обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, параллельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполняющимися заданиями. Так, например, одно задание может выполнять ввод данных, другое – выполняться центральным процессором, третье – выводить данные, четвертое – стоять в очереди.

---

Важнейшее техническое решение, обусловившее такие возможности, – появление у внешних устройств собственных процессоров (контроллеров).

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

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).

Тема настоящей работы достаточна обширна. Чтобы уложиться в регламент требований к объёму работы мы остановимся на рассмотрении нескольких простейших основных функций ОС таких как: обеспечение пользовательского интерфейса; обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами: стандартизованный доступ к периферийным устройствам; загрузка программ в память и обеспечение их выполнения; обеспечение системы организации и хранения файлов.

1 Обеспечение пользовательского интерфейса

Интерфейс пользователя (UI) – центральный элемент любой современной программной системы, поскольку системы существуют для того, что бы с ними работали пользователи, а пользователи взаимодействуют с системой именно через интерфейс.

Первые формы компьютерных UI – разновидности текстовых интерфейсов (TUI – Textbased/textual user interface).

Любая форма TUI выстроена на символах – цифрах и буквах, операции с которыми возможны при наличии устройства ввода (клавиатуры) и вывода (печатного устройства, экрана). Символы «как они есть» не могут нести смысловой нагрузки, для взаимодействия необходим какой-либо искусственный язык, код, указывающий на возможные сочетания символов и эксплицируемое из них значение. Так, команда (в UNIX) «rm – rf /», будучи символически лаконичной, может быть переведена на естественный язык следующим образом: «удалить все вложенные каталоги, игнорируя ошибки и не запрашивая подтверждения производимых операций в каталоге «/»». Лексика и грамматика TUI требует редукции значения и сжатости, что вполне оправдано, так как компьютер в момент своего создания решал исключительно прагматическую задачу – оптимизировал вычисления. Прагматическое взаимодействие предполагает прагматичный язык.

---

Разновидностей TUI много, но их сущностные характеристики практически полностью идентичны – текстовые команды лишены многозначности, они крайне формализованы и открыты. Модель взаимодействия пользователя с компьютером через текстовый интерфейс следует охарактеризовать как авторитарную: команда конкретна и обязательна. Отличительной чертой TUI будет его стремление к прямой манипуляции компьютером. Овладевая языком команд, пользователь получает способность осознанного управления вычислительными мощностями компьютера, каждая команда имеет определенное следствие и предполагает рациональность выполняемого действия.

TUI довольно долго был основным способом управления компьютером – с 1960-х по 1980-е гг. Переходная форма к GUI может быть найдена в оконных текстовых интерфейсах, главное отличие которых от предшественников – организация экранного пространства в форме окон и текстовых блоков, что внешне максимально приближает TUI к GUI (операционная система FreeDos использует именно такой тип интерфейса). В современных операционных системах TUI сохранился в виде командной строки, являющейся инструментом прямого администрирования системы.

Спецификой TUI является его конвенциональная языковая форма – для использования классической консоли необходимо владеть грамматикой и синтаксисом команд.

С одной стороны, TUI следует расценивать как интерфейс, приближающий пользователя к технологической природе компьютера. На пути от ввода команды к ее исполнению находится этап перевода символа в машинный код, что сближает статус первых пользователей со статусом современных профессиональных программистов, владеющих компилируемыми языками программирования. С другой стороны, взаимодействие с машиной через печатный текст безусловно является технологической инерцией печатной культуры и стандартизации языка в типографском производстве, а также средствами такого инструмента, как печатная машинка – еще один образец промышленной стандартизации коммуникации на основе текста.

Переход к GUI связан с популяризацией компьютера и явившейся потребностью в создании «понятного» интерфейса. Концепция GUI предложила ряд абстракций, выраженных в парадигме WIMP («window, icon, menu, pointing device» – окно, значок, меню, манипулятор).

Концептуальный фундамент доступного интерфейса создавался в исследовательских лабораториях Стенфордского университета и Xerox Corporation в период 1960–1970-х гг и у него есть свои авторы и идеологи – Дуглас Энгельбард и Алан Кей.

---

GUI построен на использовании графического переноса и смещения образов и символов (метафору и метонимию в терминологии лингвистики), претендуя на очевидность представления элементов управления.

Графический пользовательский интерфейс имеют все современные ОС. Стоит отметить, что графические оболочки для всех ОС по возможностям приблизительно одинаковы, связано это с обостренной конкуренцией между фирмами-разработчиками. Из-за того что оболочки для разных ОС похожи, пользователю порой бывает даже сложно определить, в какой именно ОС он работает.

Одной из первых и самой жизнеспособной метафорой стал «Рабочий стол», который сохранял практически безальтернативную позицию вплоть до недавнего времени.

С одной стороны, эта схожесть удобна для конечных пользователей, так как она упрощает изучение рабочей среды. Но с другой стороны, использование только графических оболочек (без изучения командных языков и конфигурационных файлов) является минусом для системных программистов, так как снижает их уровень подготовки.

Очевидность и предсказуемость взаимодействий стала приоритетной целью разработчиков GUI и она была выражена в парадигме редактирования документов WYSIWYG («What You See Is What You Get» – что видишь, то и получаешь). Парадокс GUI заключается в том, что, стремясь к прозрачности взаимодействий пользователя и компьютера, он создает графическую вуаль, скрывающую технологическую природу компьютера. Одна из первых претензий к функционированию GUI заключалась в том, что пользователь не получает того, что он видит или подразумевает.

Коммуникативный недостаток применяемых абстракций и метафор в интерфейсах заключается в их потенциальной многозначности. Поэтому пользователю, для понимания интерфейса необходимо включиться в конвенцию, задающую значение экранным графическим символам. Эта проблема частично решается обучением и продолжается консервированием символических структур интерфейсов в формах привычного и узнаваемого.

Помимо редукции элементов управления GUI, другая его специфическая черта может быть выявлена в сопоставлении с TUI. Консольное взаимодействие с компьютером не исчезло с появлением и триумфальным развитием графики и сохранило свои позиции в качестве альтернативной или дополняющей модели.

Действия, осуществляемые пользователем в графической оболочке, могут быть выражены набором команд, вводимых в командную строку (терминал). Отсюда проистекает непрозрачность и элемент непредсказуемости в работе с GUI.

---

Действие, воспринимаемое как примитивное, атомарное, такое как щелчок мышью, под собой подразумевает алгоритмы команд, конечный пункт которых – кремниевые микросхемы.

Отдельной тенденцией, связанной с развитием графического представления информации и опосредованными графикой манипуляции, является повышение требований к аппаратной части компьютеров.

Продвижение детализированных, качественно анимированных GUI приводит к активному (и нецелесообразному, с позиций прагматики вычислений) использованию ресурсов компьютера.

Художественная эстетика и требование утилитарности нашли компромиссное выражение в дизайнерских концепциях и критериях GUI, таких как «usability» («юзабилити» как способность быть использованным), «user-friendly» (дружелюбный к пользователю), воплощающихся в экстенсивном развитии экранных технологий. Однако в целом интерфейс как графическая метафора стал гигантским шагом в усилении визуальной основы взаимодействия человека и машины, пусть и оставаясь при этом цифровой иллюзией нематериальных объектов.

Основные возможности, предоставляемые графическими оболочками ОС:

- Удобный графический пользовательский интерфейс.

- Возможность выполнить любые системные настройки с помощью GUI. Особенно следует отметить в этом отношении графические оболочки ОС Linux.

- Поддержка новых тенденций в развитии интерфейсов – multi-touch, Tablet PC и др.

- Унификация графических оболочек для различных ОС. В разных ОС используются графические оболочки CDE, KDE, GNOME.

Вероятно, что в ближайшем будущем их список пополнится.

2 Обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами: стандартизованный доступ к периферийным устройствам

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств).

---