Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Программа, которая скрывает от пользователя, все нюансы взаимодействия с вычислительной системой и дает возможность простыми и удобными способами выполнять какие-либо действия с данной вычислительной системой (например, запись файлов на флеш-накопитель, вывод документа на печать и т.д.), является операционной системой (ОС).

Операционная система представляет собой набор программных средств, который дает возможность управлять аппаратной частью вычислительной системы и прикладным программным обеспечением, а также обеспечивает удобный интерфейс работы между собой и пользователем.

В настоящее время благодаря операционной системе в наибольшей степени формируется облик вычислительной системы. В состав современных вычислительных систем входит множество устройств: процессоры, видеокарты, сетевые адаптеры, системы хранения данных и т.д. Все эти устройства нуждаются в эффективном механизме управления. Данная задача и возлагается на операционную систему, которая должна заниматься управлением всеми ресурсами вычислительной системы для обеспечения максимальной эффективности ее работы.

Таким образом, ключевой функцией операционной системы выступает распределение процессоров, памяти, прочих устройств и данных между вычислительными процессами, которые конкурируют за данные ресурсы. Также операционная система должна обеспечить как стандартному пользователю, так и разработчику, различные удобства работы с ней и настройки.

Согласно вышеуказанным причинам тема функций операционных систем персональных компьютеров является актуальной.

Цель работы: рассмотреть функции операционных систем персональных компьютеров.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- рассмотреть теоретические аспекты операционных систем;

- рассмотреть функции операционных систем персональных компьютеров.

Объектом исследования являются операционные системы.

Предметом исследования являются функции операционных систем персональных компьютеров.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

---

1.1. Назначение и виды операционных систем

Под операционной системой понимают программу (или набор программ), при помощи которой осуществляется управление основными действиями вычислительной системы, ее дополнительными устройствами, а также обеспечивающая работу прочего программного обеспечения и взаимодействие с пользователем.^[1]

Схематическое изображение назначения операционной системы представлено на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение назначения операционной системы

Из определения операционной системы следует, что она выступает в роли среды для организации работы пользователя, и вместе с этим является средой выполнения и взаимодействия разнообразного программного обеспечения.

К основным функциям операционных систем относятся:

- реализация взаимодействия с пользователем;

- осуществление ввода, вывода и управления данными;

- осуществление процессов планирования и организации обработки программного обеспечения;

- реализация функций по распределению ресурсов (потоков процессора, оперативной и прочих видов памяти, и т.д.);

- запуск программного обеспечения;

- реализация дополнительных операций обслуживания;

- организация процессов передачи данных между внутренними устройствами;

- осуществление программной поддержки работы периферийного оборудования;

- создание среды взаимодействия и обмена данными между работающим программным обеспечением.

Иными словами, операционная система является программным продолжением устройства управления персональным компьютером. При помощи операционной системы осуществляется сокрытие сложностей различных коммуникаций между аппаратурой. По сути операционная система является прослойкой между компьютером и пользователем.^[2]

Любое приложение использует услуги операционной системы, следовательно, оно может функционировать только под той ОС, которая и обеспечивает для него услуги. Исходя из этого можно заключить, что процесс выбора ОС является очень важным, поскольку от его результатов зависит производительность вычислительной системы, уровень защищенности информации, требуемые дополнительные аппаратные средства и т.д. При этом выбор ОС также зависит от конкретных особенностей вычислительной системы или компьютера. Новизна операционной системы прямопропорциональна техническим требованиям компьютера. При этом современные операционные системы предоставляют пользователю гораздо больше возможностей чем их предшественницы. В роли технических требований к компьютеру для использования конкретной ОС могут выступать: частота процессора, семейство процессора, объем оперативной памяти, разрядность дополнительных компонентов и т.д.

---

В роли главной причины необходимости ОС на компьютере выступает то, что операции для работы с компонентами вычислительной системы и управления ими, являются низкоуровневыми операциями, до которых пользователю совершенно нет дела. Количество низкоуровневых операций может достигать нескольких десятков тысяч.

В роли одной из задач операционной системы выступает сокрытие от пользователя вышеуказанных низкоуровневых операций. По сути при помощи ОС пользователь выполняет множество вспомогательных действий: перенос файлов, печать документов и т.д.

При помощи операционной системы осуществляется процесс загрузки в память множества приложений, передача им управления при их старте, исполнение различных действий по запросу приложений, очистка оперативной памяти после закрытия приложений и т.д.

В настоящее время существуют различные классификации операционных систем. По числу одновременно выполняемых задач и количества пользователей операционные системы разделяются на:

- однопользовательские однозадачные. Выполняются исключительно на одном компьютере и для одного пользователя. Дают возможность выполнять только одну задачу и по данной причине не используются в наши дни;

- однопользовательские многозадачные или настольные. С их помощью обеспечивается работа одного пользователя с множеством различных задач;

- многопользовательские многозадачные или серверные. Дают возможность одновременно запускать на одном компьютере множество различных задач для различных пользователей. Этот вид операционных систем является самым сложным и ресурсоемким.^[3]

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления внешними устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

- системы пакетной обработки (например, OC EC),

- системы разделения времени (UNIX, VMS),

- системы реального времени (QNX, RT/11).

Первый тип систем – пакетной обработки, использовался преимущественно для выполнения задач, касающихся различных вычислений, когда не требовалось быстрого получения результата. Главным показателем работы систем пакетной обработки являлась их пропускная способность, иными словами, то число задач, которое они могли обработать за какой-либо временной промежуток. Для обеспечения максимальной пропускной способности в вышеуказанных системах работа строится следующим образом: в первую очередь составляется пакет заданий, в котором у каждого задания имеются собственные требования к ресурсам системы, далее из этого перечня заданий составляется мультипрограммная смесь, то есть совокупность одновременно реализуемых задач. Для того чтобы выполнить задачи одновременно, системы пакетной обработки добиваются баланса между загрузкой всех устрой вычислительной системы.^[4]

---

Принцип работы систем разделения времени заключается в том, что каждому приложению, которое находится в оперативной памяти и готово к выполнению, предоставляется конкретный интервал времени. В случае если приложение не выполнило все свои задачи за данный промежуток времени, то его исполнение в принудительном порядке прекращается, и далее приложение перемещается в конец очереди на исполнение. Далее из начала очереди достается следующее приложение, которое также исполняется в течение определенного промежутка времени, и после оно также перемещается в конец очереди. Все эти действия многократно повторяются до тех пор, пока не закончатся приложения, которые необходимо выполнять. В такой ситуации пользователи практически не замечают задержек, поскольку они очень малы. В роли ключевого критерия эффективности работы систем разделения времени выступает удобство работы с ними для пользователя, а максимальная пропускная способность при этом отходит на второй план.^[5]

Архитектура ОС реального времени представлена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура ОС реального времени

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы — реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть — в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.^[6]

---

1.2. Архитектура операционных систем

Под архитектурой операционной системы понимают структурную и функциональную организацию ОС на основе некоторой совокупности программных модулей. В состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т.д.

На архитектуру ранних операционных систем обращалось мало внимания: во-первых, ни у кого не было опыта в разработке больших программных систем, а во-вторых, проблема взаимозависимости и взаимодействия модулей недооценивалась. В подобных монолитных ОС почти все процедуры могли вызывать одна другую. Такое отсутствие структуры было несовместимо с расширением операционных систем. Первая версия ОС OS/360 была создана коллективом из 5000 человек за 5 лет и содержала более 1 млн строк кода. Разработанная несколько позже операционная система Mastics содержала к 1975 году уже 20 млн строк. Стало ясно, что разработка таких систем должна вестись на основе модульного программирования.^[7]

В настоящее время современные операционные системы построены по модульному принципу. Они хорошо масштабируются и расширяются на новые платформы. На протяжении всего времени существования операционных систем человечество не изобрело какую-либо универсальную их архитектуру, однако разработаны унифицированные подходы к структурированию ОС. Главными универсальными подходами в процессе создания архитектуры ОС выступают:

- модульная организация;

- функциональная избыточность;

- функциональная избирательность;

- параметрическая универсальность;

- концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;

- разделение модулей на две группы по функциям: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;

- разделение модулей ОС на две группы по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций;

- реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного режима (режима ядра – Kernel mode), или режима супервизора (supervisor mode), и пользовательского режима (user mode), или режима задачи (task mode);

---