Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Операционные системы, их назначение и структура).pdf

Введение

Если взглянуть на современный мир со стороны и попытаться понять на чем он основан, то одним из первых его аспектов, несомненно, окажется технический прогресс. Он проник во все сферы человеческой деятельности, начиная с раннего детства и до глубокой старости.

В нынешнее время весьма актуальным для большинства людей стало умение пользоваться персональными компьютерами. Компьютеры и возможности, которые они нам предоставляют, стали неотъемлемой частью жизни.

Современный компьютер состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, дисков, принтера, клавиатуры, мыши, дисплея, сетевых интерфейсов и других разнообразных устройств ввода-вывода. В итоге получается довольно сложная система. Если каждому программисту, создающему прикладную программу, нужно будет разбираться во всех тонкостях работы всех этих устройств, то он не напишет ни строчки кода.

Более того, управление всеми этими компонентами и их оптимальное использование представляет собой очень непростую задачу. По этой причине компьютеры оснащены специальным уровнем программного обеспечения, который называется операционной системой, в чью задачу входит управление пользовательскими программами, а также всеми ранее упомянутыми ресурсами. Именно такие системы и являются предметом рассмотрения данной работы.

При включении персонального компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Без операционной системы невозможно представить работу с компьютером. Знание операционной системы необходимо для успешного пользования современными компьютерами.

Очевидно, что ознакомление с операционной системой персонального компьютера необходимо начинать одним из первых, ведь без нее работа на ПК немыслима для большинства пользователей.

Целью данной работы является анализ общих основ операционных систем персональных компьютеров и их функций. В работе будут рассмотрены основные функции операционных систем, их назначение и применение.

Глава 1. Операционные системы, их назначение и структура

Большинство компьютеров имеют два режима работы: режим ядра и режим пользователя. Операционная система — наиболее фундаментальная часть программного обеспечения, работающая в режиме ядра (этот режим называют еще режимом супервизора). В этом режиме она имеет полный доступ ко всему аппаратному обеспечению и может задействовать любую инструкцию, которую машина в состоянии выполнить. Вся остальная часть программного обеспечения

---

работает в режиме пользователя, в котором доступно лишь подмножество инструкций машины.

Операционная система — это совокупность программ, обеспечивающая организацию вычислительного процесса на компьютере. Она работает непосредственно с аппаратным обеспечением и является основой остального программного обеспечения.

Основные задачи операционных систем следующие:

• увеличение пропускной способности компьютера (за счет организации непрерывной обработки потока задач с автоматическим переходом от одной задачи к другой и эффективного распределения ресурсов ПК по нескольким задачам);
• уменьшение времени реакции системы на запросы пользователей пользователями ответов от ПК;
• упрощение работы разработчиков программных средств (за счет предоставления им значительного количества языков программирования и разнообразных сервисных программ).

Важное отличие операционной системы от обычного (работающего в режиме пользователя) программного обеспечения состоит в следующем: если пользователь недоволен конкретной программой чтения электронной почты, то он может выбрать другую программу или, если захочет, написать собственную программу, но не может написать собственный обработчик прерываний системных часов, являющийся частью операционной системы и защищенный на аппаратном уровне от любых попыток внесения изменений со стороны пользователя.

Особенность операционных систем — довольно большой объем, сложная структура и длительные сроки использования. Исходный код основы операционной системы порядка 5 млн строк. И это касается только той части, которая работает в режиме ядра. При включении необходимых общих библиотек объем операционной системы превышает 70 млн строк кода (напечатанные на бумаге, они займут 10–20 книжных полок), и это, не считая основных прикладных программ.

Операционные системы могут классифицироваться по следующим показателям:

• количеству пользователей: однопользовательские ОС (MS DOS, Windows) и многопользовательские ОС (VM,Unix);
• доступу: пакетные (OS/360), интерактивные (Windows, Unix), системы реального времени (QNX, Neutrino, RSX);
• количеству решаемых задач: однозадачные ОС (MS DOS) и многозадачные ОС (Windows, Unix).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является 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.

---

Однопользовательские ОС бывают двух видов:

1. Однозадачные – системы предназначены для управления компьютером таким образом, чтобы в любой заданный момент времени один пользователь мог эффективно выполнять одну задачу либо действие.

2. Многозадачные – такие ОС позволяют одному пользователю одновременно выполнять несколько программ. Большинство пользователей в настоящее время применяют такие ОС в своих персональных компьютерах и ноутбуках.

Многопользовательская система позволяет многим разным людям одновременно пользоваться ресурсами одного компьютера. Операционная система должна сбалансировать требования различных пользователей, а также обеспечить использование каждой задействованной ими программой достаточных и разделенных ресурсов, чтобы проблема, возникшая у одного пользователя, не распространилась на все сообщество пользователей.

Операционная система пакетной обработки – это система, которая обрабатывает пакет заданий, т. е. несколько заданий, подготовленных одним или разными пользователями. Взаимодействие между пользователем и его заданием во время обработки невозможно или крайне ограничено. Под управлением операционной системы пакетной обработки компьютер может функционировать в однопрограммном и мультипрограммном режимах.

Интерактивные операционные системы, наоборот, дают возможность пользователю взаимодействовать с заданием во время его обработки, а также выполнять другие задания одновременно с уже запущенными.

Операционные системы реального времени предназначены для обеспечения интерфейса к ресурсам критических по времени систем реального времени. Основной задачей в таких системах является своевременность выполнения обработки данных.

Операционная система обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

• обработки задач;
• работы системы в режиме диалога и квантования времени;
• работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;
• связи пользователя с системой;
• протоколирования хода выполнения вычислительных работ;
• обработки данных, поступающих по каналам связи;
• функционирования устройств ввода-вывода;
• использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;
• планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;
• ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ПК.

Основные компоненты операционных систем — управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы компьютера при переходе от одной программы к другой без вмешательства пользователя.

---

Одной из основных частей ОС является интерфейс — универсальный механизм управления любыми приложениями операционной системы, независимо от его назначения и предметной области. Интерфейс является удобной оболочкой, с которой общается пользователь. Именно на неё обращают внимание при выборе операционной системы.

Программы пользовательского интерфейса — оболочка или GUI — находятся на самом низком уровне программного обеспечения, работающего в режиме пользователя, и позволяют пользователю запускать другие программы, такие как веб-браузер, программа чтения электронной почты или музыкальный плеер. Эти программы также активно пользуются операционной системой.

Таким образом операционная система персонального компьютера предстает перед нами в виде сложной и первостепенной системы с многочисленными задачами и возможностями. Сложность ее структуры обусловлена теми задачами и функциями, которые мы рассмотрим в следующем разделе данной работы.

Глава 2. Функции операционных систем персональных компьютеров

Современный компьютер состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, графических адаптеров, дисков, принтера, клавиатуры, мыши, дисплея, сетевых интерфейсов и других разнообразных устройств ввода-вывода. В итоге получается довольно сложная система.

Для того, чтобы обеспечить стабильную работу данной системы операционная система должна выполнять следующие основные тесно взаимосвязанные функций:

• управление задачами (заданиями, процессами);
• управление данными;
• управление памятью;
• ввод и вывод информации;
• связь с пользователем;
• безопасность.

В различных операционных системах эти функции реализуются в различных масштабах и с помощью разных технических, программных, информационных методов и средств.

2.1. Управление задачами (процессами)

Основным понятием управления прохождением задач в компьютере являются процесс.

Процесс — минимальный программный объект, обладающий собственными системными ресурсами (запущенная программа).

При запуске системы запускается множество процессов, о которых пользователь зачастую даже и не подозревает. Например, может быть запущен процесс, ожидающий входящей электронной почты. Другой запущенный процесс может принадлежать антивирусной программе и предназначаться для периодической проверки доступности определений каких-нибудь новых вирусов. В дополнение к этому могут быть запущены процессы, инициированные пользователем в явном виде, — печать файлов или сброс пользовательских фотографий на USB-накопитель, и все они работают одновременно с браузером, с помощью которого пользователь просматривает Интернет. Всей этой работой нужно управлять, и здесь нам очень пригодится многозадачная система, поддерживающая работу нескольких процессов.

---

Процесс — это программный модуль, выполняемый в центральном процессоре (CPU). Операционная система контролирует следующую деятельность, связанную с процессами:

• создание и удаление процессов;
• планирование процессов;
• синхронизацию процессов;
• коммуникацию процессов;
• разрешение тупиковых ситуаций.

Не следует смешивать понятия «процесс» и «программа». Программа — это план действий, а процесс — это само действие, поэтому понятие процесса включает:

• программный код;
• данные;
• содержимое стека;
• содержимое адресного и других регистров процессора.

Таким образом, для одной программы могут быть созданы несколько процессов в том случае, если с помощью одной программы в CPU выполняется несколько несовпадающих последовательностей команд. За время существования процесс многократно изменяет свое состояние.

Различают следующие состояния процесса:

• новый (процесс только что создан);
• выполняемый (команды программы выполняются в CPU);
• ожидающий (процесс ожидает завершения некоторого события, чаще всего операции ввода-вывода);
• готовый (процесс ожидает освобождения CPU);
• завершенный (процесс завершил свою работу).

Система управления процессами обеспечивает прохождение процесса через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот или иной ресурс. Например, новый процесс необходимо разместить в основной памяти, следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства. Процессу в состоянии готовый должно быть предоставлено процессорное время. Выполняемый процесс может потребовать оборудование ввода-вывода и доступ к файлу.

При запуске операционной системы создаются, как правило, несколько процессов. Некоторые из них представляют собой высокоприоритетные процессы, то есть процессы, взаимодействующие с пользователями и выполняющие для них определенную работу. Остальные являются фоновыми процессами, не связанными с конкретными пользователями, но выполняющими ряд специфических функций. Например, фоновый процесс, который может быть создан для приема входящих сообщений электронной почты, основную часть времени проводит в спящем режиме, активизируясь только по мере появления писем.

Вдобавок к процессам, созданным во время загрузки, новые процессы могут быть созданы и после нее. Часто бывает так, что работающий процесс осуществляет системный вызов для создания одного или более новых вспомогательных процессов. Создание новых процессов особенно полезно, когда выполняемая работа может быть легко выражена в понятиях нескольких связанных друг с другом, но в остальном независимых друг от друга взаимодействующих процессов.

---