Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Основы современных операционных систем).pdf
Добавлен: 01.04.2023
Просмотров: 269
Скачиваний: 3
Операционную систему можно представить как средство управления ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем относятся процессоры, основная память, дисковые накопители, принтеры, таймеры, наборы данных, сетевые и другие устройства. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (или задача) является базовым понятием большинства современных ОС и часто кратко определяется как выполняемая программа.
Если программа представляет собой статический объект (в виде файла с кодами и данными), то процесс – динамический объект, который возникает в ОС после того, как пользователь или она сама запускает программу на выполнение.
Управление ресурсами включает решение таких задач, как определение, какому процессу, когда и в каком количестве следует выделить данный ресурс; отслеживание состояния и учет использования ресурса; снабжение оперативной информацией о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена. Управление ресурсами составляет важную часть функций любой (и особенно мультипрограммной) ОС, которые реализуются с помощью подсистем управления ресурсами.
Операционные системы ЭВМ развиваются и модифицируются в общем контексте развития технических и программных средств. Постоянной средой этого развития является сосуществование по меньшей мере 3 уровней организации информационно-вычислительных процессов – аппаратурного, программного, информационного. Они образуют некоторые слои, страты информационных технологий, которые взаимозаменяемы в определенных пределах.
В рамках программного обеспечения следуют в свою очередь известные подслои – операционные системы, средства разработки приложений, собственно приложения [8].
Необходимо отметить то не всегда очевидное обстоятельство, что перечисленные слои технических и программных средств сложились в результате длительной (по масштабам информатики!) эволюции. Они приспособились друг к другу и взаимодействуют так же, как живые организмы в земной биосфере.
Если не учитывать вероятность «технологических революций» (отказ от фон-неймановских машин, например), то основные направления развития информационных технологий следует ожидать в «диффузии» процессов обработки информации между различными слоями (аппаратурный, программный, информационный) и подслоями программного слоя (операционная система, СУБД и пр.).
2.2 Характеристика функций операционной системы
Операционные системы, под управлением которых работает прикладное программное обеспечение, реализуют следующий набор функций
1. Обеспечьте пользовательский интерфейс. По реализации пользовательского интерфейса различают неграфические и графические операционные системы. В неграфических операционных системах реализован интерфейс командной строки, в котором клавиатура является основным устройством управления. Команды управления вводятся в поле командной строки, где их можно редактировать. Выполнение команды начинается после ее утверждения, например, нажатием Enter. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки предоставляется семейством операционных систем, обычно известных как MS-DOS (версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.2).
Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором мышь или подходящее устройство позиционирования может использоваться в качестве элемента управления в дополнение к клавиатуре. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных элементов управления на экране.
Активным элементом управления является указатель мыши - графический объект, движение которого на экране синхронизировано с движением мыши. Графические элементы управления приложения (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и т. д.) Действуют как пассивные элементы. Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления зависит от пользователя. Включает приемы наведения курсора на элемент управления, нажатия и т. д.
2. Обеспечить автоматический запуск. Все операционные системы имеют автоматический запуск. Для дисковых операционных систем запись программного кода создается в специальной (системной) области диска. К этому коду могут получить доступ программы базовой системы ввода / вывода (BIOS). Закончив свою работу, они дают команду на загрузку и выполнение содержимого системной области диска. [8].
Недисковые операционные системы используются в специализированных вычислительных системах (например, в компьютеризированных устройствах автоматического управления). Программное обеспечение таких систем содержится в микросхемах ПЗУ и условно может считаться аналогом операционной системы, которая запускается аппаратно автоматически. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ (он может быть изменен аппаратно с помощью логических микросхем), с которого программа инициализации операционной системы начинает запись.
3. Организация файловой системы. Все современные операционные системы для жестких дисков обеспечивают создание файловой системы, которая может использоваться для хранения данных на жестких дисках и доступа к ним. Организация файловой системы табличная. Поверхность жесткого диска считается трехмерной матрицей, размерами которой являются количество поверхностей, цилиндров и секторов.
Под цилиндром понимаются все дорожки, принадлежащие разным поверхностям и расположенные на одинаковом расстоянии от оси вращения. Данные о расположении файла на диске хранятся в системной области диска в таблицах FAT - таблицах размещения файлов. Нарушение таблицы FAT делает невозможным использование данных, записанных на диск. Поэтому к столу предъявляются особые требования надежности и у него есть дубликат. Идентичность таблиц регулярно проверяется операционной системой.
Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор размером 512 байт. Поскольку размер таблицы FAT ограничен, невозможно обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору для дисков размером более 32 МБ. В связи с этим условно группы секторов объединяются в кластеры - наименьшие единицы адресации данных, размер которых не фиксирован и зависит от емкости диска. [9].
Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65536 записей (216). Размер кластера для дисков объемом от 1 до 2 Гб составляет 32 Кб (64 сектора), что не является рациональным расходом рабочего пространства, поскольку файл (даже очень маленький) полностью занимает весь кластер и ему соответствует только одна адресная запись в FAT-таблице. Если файл большой и располагается в нескольких кластерах, то в последнем кластере все равно остается часть свободного пространства, что приводит к его нерациональному использованию.
Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25 до 40 % полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гб файловая система FAT16 работать не может. Более совершенную организацию файловой системы обеспечивает операционная система с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов - FAT32. Для дисков размером до 8 Гб эта система обеспечивает размер кластера 4 Кб (8 секторов).
4. Обслуживание файловой системы. Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной форме, они представляются пользователю в иерархической структуре. Все необходимые преобразования выполняет операционная система. Функция обслуживания файловой системы включает следующие операции:
создание файлов и присвоение им имен;
создание каталогов (папок) и присвоение им имен;
переименование файлов и каталогов (папок);
копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;
удаление файлов и каталогов (папок);
навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);
управление атрибутами файлов.
5. Управление установкой, выполнением и удалением приложений. С точки зрения управления выполнением приложений, различают однозадачные и многозадачные операционные системы. Однозадачные операционные системы (например, MS-DOS) передают все ресурсы компьютерной системы исполняемому приложению и не допускают параллельное выполнение другого приложения (полная многозадачность) или его приостановка и запуск другого приложения (превентивная многозадачность).
Параллельно с однозадачными операционными системами могут работать только специальные резидентные программы, которые не зависят от операционной системы, а работают напрямую с процессором, используя его систему прерываний. [11].
Большинство современных графических операционных систем является многозадачными. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают возможность:
одновременной или поочередной работы нескольких приложений;
обмена данными между приложениями;
совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.
Надежность компьютерной системы во многом зависит от того, как операционная система управляет приложениями. Операционная система должна обеспечивать возможность прерывания работы приложений по запросу пользователя и удаления невыполненной задачи, не влияя на работу других приложений.
В этом случае требование надежности операционной системы может вступить в противоречие с требованием ее универсальности. Например, в более общих операционных системах семейства Windows 95 и Windows 98 могут возникать общесистемные сбои из-за приложений, которые не строго следуют своим спецификациям.
Операционные системы семейств Windows NT и OS / 2 обладают повышенной стабильностью и не дают сбоев при сбое приложений, но они обладают меньшей универсальностью и, следовательно, доступный им пул приложений ограничен. Проблема надежности операционной системы стоит перед программистами особенно остро. В процессе отладки программ возможно множество сбоев из-за несовершенного кода.
6. Обеспечение взаимодействия с оборудованием. Оборудование сильно различается, поэтому ни один разработчик не может предоставить все варианты того, как его программа взаимодействует с оборудованием.
Гибкость аппаратных и программных конфигураций компьютерных систем поддерживается разработкой разработчиком оборудования специального программного обеспечения для управления аппаратным обеспечением - драйверов, предназначенных для основных операционных систем. У драйверов есть точки входа для взаимодействия с прикладными программами, и отправка вызовов из прикладных программ в драйверы устройств является одной из функций операционной системы. [13].
В операционной системе MS-DOS драйверы устройств загружались как программы TSR, которые работают напрямую с процессором и другими устройствами на материнской плате.
Использование операционной системы ограничивалось предоставлением пользователю возможности загрузить драйвер. Затем драйвер перехватил прерывания, которые использовались для доступа к устройству, и контролировал его взаимодействие с вызывающей программой. Было два способа загрузить драйверы устройств. Ручная загрузка производилась после первого запуска компьютера, когда пользователь сам давал команды для загрузки драйверов.
Автоматическая загрузка реализовалась с помощью команд на загрузку и настройку драйверов, включенных в состав файлов, автоматически читаемых при загрузке компьютера. Например, в MS-DOS такие файлы назывались файлами конфигурации: autoexec. bat и config. sys. В эти файлы включали команды загрузки драйвера мыши, дисковода CD-ROM, звуковой карты, расширенной памяти и пр.
Современные операционные системы поддерживают все функции по установке драйверов устройств и передаче им управления приложениями. Во многих случаях операционной системе не нужны драйверы разработчика устройств, поскольку она использует драйверы из собственной базы данных.
Каждое подключенное устройство может использовать до трех аппаратных ресурсов материнской платы: порты внешнего процессора, прерывания процессора и каналы DMA. Если устройство подключено к материнской плате по шине PCI, технически возможно организовать обратную связь между ним и материнской платой.
Это позволяет операционной системе анализировать требования устройств о выделении им ресурсов и гибко реагировать на них, исключая захват одних и тех же ресурсов разными устройствами. Такой принцип динамического распределения ресурсов операционной системой получил название plug-and-play, а устройства, удовлетворяющие этому принципу, называются самоустанавливающимися.