Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Операционные системы).pdf

2. Функции операционных систем

2.1. Состав операционной системы

Самым важным достоинством большинства операционных систем - это  модульность. Данное свойство позволяет соединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если появляется необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

Обычно операционная система состоит из следующих базовых модулей (Рисунок 1):

• базовая система ввода-вывода (BIOS – BasicInputOutputSystem);
• загрузчик операционной системы;
• ядро ОС;
• драйверы устройств;
• командный процессор;
• внешние команды (файлы).

Рисунок 1. Состав ОС.

Базовая (основная) система ввода-вывода (BIOS) – это сбор микропрограмм, которые осуществляют основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Содержаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) компьютера и вписываются туда при создании материнской платы. Эта система «внедрена» в компьютер и представляет собой единовременно его аппаратную часть и часть операционной системы.

Самая первая и самая важная функция BIOS – автоматический анализ базовых компонентов компьютера при его загрузке. При нахождении ошибки на экран выдается соответствующее сообщение и / или производится сигнал звуком.

Затем BIOS проводит вызов блока начальной загрузки операционной системы, расположенной на диске (данная операция происходит сразу по окончании тестирования).

Когда в оперативное запоминающее устройство  (ОЗУ) загружен этот блок, BIOS отдает ему управление, а тот в свою очередь вводит другие модули ОС.

Еще одна из самых важных функция BIOS – это обслуживание прерываний. Когда возникают определенные события (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.), вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы – это не большая программа, которая находится в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция данной программы представляет собой считывание в память основных дисковых файлов операционной системы и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро операционной системы выполняет основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре операционной системы выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за исполнение той или иной задачи:

• файловая система (размещение информации на устройствах хранения);
• система управления памятью (размещение программы в памяти);
• система управления программами (запуск и выполнение программ);
• система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);
• система обработки ошибок;
• служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяющей добавлять драйверы, которые обслуживают дополнительные устройства.

«Драйверы – это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне» [Борисов Р., Лобан А. Информатика. Базовый курс. – Litres, 2019. – 302 с].

Они восполняют систему ввода-вывода операционной системы и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от аппаратуры и делают пользовательские программы независимыми от ее особенностей.

Драйверы вводятся в память компьютера при загрузке операционной системы; необходимость и порядок их загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает подключение к машине новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

Командный процессор – это программа, функции которой заключаются в следующем:

• прием и синтаксический разбор команд, которые получены с клавиатуры или из командного файла;
• выполнение внутренних команд операционной системы;
• загрузка и выполнение внешних команд (представленных в виде самостоятельных программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (файлы с расширением СОМ, ЕХЕ или ВАТ).
• выполнение командных файлов (это текстовые файлы с набором команд и расширением ВАТ). Когда в качестве команды задается имя такого файла, командный процессор начинает последовательно считывать и переводить содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, выполняющая вызов какой-то программы, выполнение командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения происходит выполнение следующей команды командного файла.

2.1. Функции операционных систем

Операционная система выполняет две группы функций [Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.03.2020);- C.39]:

Основные функции:

• Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• Ввод программ в оперативную память и их исполнение.
• Стандартный доступ к внешним устройствам (устройства ввода-вывода).
• Регулирование оперативной памятью (разделение между процессами, организация виртуальной памяти).
• Регулирование доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
• Обеспечение интерфейса пользователя.
• Хранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

• Параллельное или псевдопараллельное исполнение задач (многозадачность).
• Эффективное разделение ресурсов вычислительной системы между процессами.
• Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
• Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
• Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
• Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа

Конкретный выбор операционной системы определяется объединением предоставляемых функций и определенными требованиями к рабочему месту.

Прочие функции операционных систем могут включать следующие:

• возможность поддерживать работу локальной компьютерной сети без специального программного обеспечения;
• обеспечение доступа к базовым службам Интернета средствами, внедренными в состав операционной системы;
• возможность создания системными средствами сервера Интернета, его обслуживание и управление, в том числе дистанционное посредством удаленного соединения;
• существование средств защиты данных от несанкционированного доступа, просмотра и внесения изменений;
• возможность оформления рабочей среды операционной системы, в том числе и средствами, относящимися к категории мультимедиа;
• возможность обеспечения комфортной поочередной работы различных пользователей на одном персональном компьютере с сохранением персональных настроек рабочей среды каждого из них;
• возможность автоматического исполнения операций обслуживания компьютера и операционной системы по заданному расписанию или под управлением удаленного сервера;
• возможность работы с компьютером для лиц, имеющих физические недостатки, связанные с органами зрения, слуха и другими.

Кроме всего вышеперечисленного, современные операционные системы могут включать минимальный набор прикладного программного обеспечения, которое можно использовать для исполнения простейших практических задач:

• чтение, редактирование и печать текстовых документов;
• создание и редактирование простейших рисунков;
• выполнение арифметических и математических расчетов;
• ведение дневников и служебных блокнотов;
• создание, передача и прием сообщений электронной почты;
• создание и редактирование факсимильных сообщений;
• воспроизведение и редактирование звукозаписи;
• воспроизведение видеозаписи;
• разработка и воспроизведение комплексных электронных документов, включающих текст, графику, звукозапись и видеозапись.

Функции (Рисунок 2)ОС обычно группируют в соответствии с видами локальных ресурсов, управляемыми ОС. Их называют подсистемами.

Наиболее важные из них

• подсистема управления процессами,
• подсистема управления памятью,
• подсистема управления файлами,
• подсистема управления внешними устройства
• подсистема пользовательского интерфейса,
• подсистема защиты данных и администрирования.

Рисунок 2. Функции ОС

Из функций вытекают и соответствующие требования к операционным системам [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.03.2020);.

Основное требование - функциональная полнота, которая зависит от предметной области использования системы и определяется использованием базовых функции эффективного управления ресурсами и обеспечения подходящего интерфейса для пользователя и прикладных программ. Операционная современная система поддерживает мультипрограммный вычислительный процесс, как правило, виртуальную память, возможно свопинг, требуемый интерфейс для приложении и, возможно для пользователя, большую степень защиты, удобство работы, а также проводить многие другие необходимые функции и услуги. Кроме того, к операционной системе предъявляется другие важные эксплуатационные требования.

Эффективность - это уровень соответствия системы своему предназначению, техническое совершенство и экономическая целесообразность. На эффективности операционной системы влияет большое количество различных факторов, основными среди которых являются архитектура, многообразие ее функции, качество программного кода, аппаратная платформа (компьютер) и др.

Надежность и отказоустойчивость, то есть защищенность системы от внутренних и внешних сбоев и отказов. Если возникает ошибка в программе или аппаратуре система обязана обнаружить ее, попытаться исправить ее или свести к минимуму ущерб. Это свойство операционной системы определяются архитектурными решениями, которые положены в ее основу, а также отлаженностью программного кода (основные отказы и сбои операционной системы в основном связаны программными ошибками в ее модулях)

Безопасность (защищенность), то есть операционная система должна защищать приложения и пользователей и от воздействия чужих ошибок, и попыток злонамеренного вмешательства (несанкционированного доступа). Это свойство особенно важно для сетевых операционных систем.

Предсказуемость, то есть запуская свою программу в системе, пользователь должен иметь основанное на опыте работы с этой программной приблизительное представление, когда ему ожидать выдачи результатов. Требования со стороны приложении, как правило, могут быть сформулированы и достаточно полно учтены [В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.03.2020)].

Расширяемость, то есть операционная система может быть расширяемой, если при ее создании руководствовались принципами модульности, функциональной избыточности, функциональной избирательности и параметрической универсальности.

Переносимость, то есть код операционной системы должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.

Совместимость, которую следует различать на уровне двоичных кодов и на уровне исходных текстов. Кроме того, понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других операционных систем.

Удобство - средства операционной системы должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю.

Масштабируемость, то есть операционная система должна позволять управлять компьютером с различным числом процессоров и обеспечивать линейное (или почти такое) возрастание производительности при увеличении числа процессоров. В этом случае проводиться симметричная многопроцессорная обработка. С понятием масштабируемости связано понятие кластеризации – это соединение в систему двух (и более) многопроцессорных компьютеров. Правда, кластеризация направлена не столько на масштабируемость, сколько на обеспечение высокой готовности системы.