Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров.pdf

Операционная система – это комплекс взаимосвязанных системных программ, функциями которого является контроль использования и распределения ресурсов вычислительной системы и организация взаимодействия пользователя с компьютером [1].

Операционная система (ОС) играет роль связующего звена между аппаратурой компьютера и выполняемыми программами, а также пользователем.

Операционные системы, развиваясь вместе с ЭВМ, прошли длинный путь от простейших программ в машинных кодах размером всего в несколько мегабайт до современных, написанных на языках высокого уровня, размер которых исчисляется гигабайтами. Такой значительный рост размера операционных систем обусловлен, главным образом, стремлением разработчиков «украсить» операционную систему, расширить ее возможности, добавить возможности, изначально несвойственные операционным системам, а также сделать интерфейс пользователя интуитивным. Все эти попытки дали свои результаты, и положительные, и отрицательные. Главным результатом стало усложнение настройки и программного интерфейса при упрощении пользовательского [5].

Важной особенностью многих ОС является способность их взаимодействия друг с другом, посредством сети, что позволяет компьютерам взаимодействовать друг с другом, как в рамках локальных вычислительных сетей (ЛВС), так и в глобальной сети Интернет [1].

Любая операционная система оперирует некоторыми сущностями, которые вместе со способами управления ими во многом характеризуют ее свойства. К таким сущностям могут относиться понятия процесса, объекта, файла и т.д. Каждая ОС имеет свой набор таких сущностей. К примеру, в ОС Windows к таким сущностям можно отнести понятие объекта, и уже через управление этой сущностью предоставляются все возможные функции.

1.1 Процесс. Управление процессами

Процесс — это некоторая сущность, которая присутствует практически во всех ОС, это программа, использующая множество ресурсов. Рассмотрим две программы (то есть код и данные, которые используются) и рассмотрим все те ресурсы, которые принадлежат программе (это могут быть: пространство оперативной памяти, данные на внешнем запоминающем устройстве, права владения линиями связи и тд). Если множества ресурсов, принадлежащих двум программам, совпадают, то в этом случае мы не можем говорить об этих программах, как о двух процессах, - это один процесс. Если у каждой программы есть свое множество ресурсов, причем, эти множества могут пересекаться, но не совпадать, то мы говорим о двух процессах [1].

Под управление процессами понимается:

1) Управление использованием времени центрального процессора. Это ещё иногда называют планированием ЦП, то есть управление тем, в какой момент времени какая из задач или какой из процессов будет владеть активностью ЦП: на какой из процессов будет работать ЦП.

2) Управление «подкачкой» и буфером ввода. Процессором обрабатывается несколько процессов, и перед нами стоит задача освободить реальную оперативную память для других задач. В этом случае возникает необходимость какие-то из обрабатываемых задач откачать на внешнее запоминающее устройство. Как более или менее выгодно организовать процесс откачки является одной из задач ОС. Если в системе образовывается масса задач, то вся вычислительная система не может принять для работы в мультипрограммном режиме все задачи. В этом случае образуется, так называемый, буфер ввода задач, или буфер ввода процессов, то есть буфер, в котором аккумулируются те процессы, которые ожидают начала своей обработки процессором. Возникает проблема очередности выбора процессов из этого буфера для начала обработки. Это задача планирования буфера.

Управление разделяемыми ресурсами. Имеется набор ресурсов, доступ к которым в определенные моменты времени организуется от имени различных процессов. Одна из функций, которая во многом определяет свойства ОС, это функция, обеспечивающая организацию взаимодействия процессов и использования общих ресурсов. Проблема с простым устройством легко решается, а вот если две программы имеют общий фрагмент оперативной памяти, то управление таким разделяемым ресурсом - сложная задача [2].
1. Типы операционных систем

Если ЦП выделен одному из процессов, то этот процесс будет занимать ЦП до наступления одной из следующих ситуаций:

Обращение к внешнему устройству.
Завершение процесса.
Зафиксированный факт зацикливания процесса.
Исчерпание выделенного данному процессу времени Δt.

Как только наступила одна из этих ситуаций, управление передается другому процессу. Количество передач управления от одного процесса к другому минимизировано. Так как при передаче управления с одного процесса на другой ОС должна выполнить набор некоторых действий, а это потеря времени, то здесь эти потери минимизированы. Такой режим работы ОС называется пакетным режимом. ОС, которая работает в таком режиме, называется пакетной ОС.

При наступлении одного из упомянутых событий планировщик ОС выбирает из процессов, готовых к выполнению, некоторый процесс и передает ему ресурсы ЦП. А выбирает он этот процесс в зависимости от того алгоритма планирования, который был использован в данной конкретной ОС. Например, процесс может выбираться случайно. Второй способ заключается в том, что происходит как бы последовательный обход процессов, то есть мы взяли в работу сначала один из процессов, затем он освободился, и время ЦП будет предоставлено следующему по порядку процессу из готовых к выполнению. Третьим критерием, по которому отбирается очередная задача, может быть время, которое данный процесс не обслуживался ЦП. В этом случае система может выбирать процесс, у которого такое время самое большое. Эти алгоритмы должны быть реализованы в ОС, а значит, они должны быть простыми, иначе система будет работать неэффективно, сама на себя (хотя такие системы есть: в частности, этим страдает семейство Windows). Такой тип ОС называется ОС разделения времени. Она работает в режиме, при котором минимизируется время реакции системы на запрос пользователя. В идеале, за счет того, что время ответа на запрос минимально, у пользователя должна создаваться иллюзия, что все ресурсы системы предоставлены только ему [2].

Файловая система

Каждая из операционных систем оперирует некоторыми сущностями, одной из которых является процесс. Есть вторая сущность, которая также важна - это понятие файла. Файловая система - это компонент операционной системы, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных. Эти именованные наборы данных называются файлами.

2. Конструкция ОС

Практически любая ОС имеет понятие ядра. Ядром ОС обычно является ее резидентная часть, то есть та часть ОС, которая не участвует в процессах подкачки (она всегда присутствует в оперативной памяти) и работает в режиме ОС. В ядро входят базовые средства управления основными сущностями, характерными для данной ОС, а также может входить набор программ, обеспечивающих управление некоторыми физическими устройствами. В функции ядра, в частности, входит обработка прерываний.

Программы, управляющие ресурсами, иногда называют драйверами устройств (физических или логических). К примеру, в ядро ОС должен входить драйвер оперативного запоминающего устройства [1].

Далее, вокруг ядра наращиваются программы управления ресурсами вычислительной системы. Первый уровень в основном состоит из драйверов физических устройств. Следующий уровень - управление логическими устройствами и так далее. Таких уровней может быть достаточно много. Вовсе не обязательно, что все компоненты работают в режиме ОС. Многие из компонентов, которые логически достаточно удалены от ядра, могут работать в обыкновенном пользовательском режиме. Так же не обязательно, чтобы все эти компоненты ОС работали в резидентном режиме. Обычно, для многих функций это не требуется.

Одной из главных частей ОС является интерфейс — универсальный механизм управления любым приложением ОС, независимо от его назначения и предметной области. Интерфейс является удобная оболочкой, с которой общается пользователь. Именно на неё обращают внимание при выборе ОС, - о ядре же, главной части ОС, вспоминают во вторую очередь. Поэтому нестабильная и ненадёжная с точки зрения ядра ОС, как, например, Windows 95, и пользовалась успехом благодаря красивой обёртке-интерфейсу.

2.1 Операционная система LINUX.

Самым популярным проектом UNIX-системы конца XX века стала недорогая альтернатива дорогостоящим (HP-UNIX, SUN Solaris, Digital UNIX) решениям - ОС Linux. Сегодня темпы освоения рынка данной системой по сравнению с остальными известными ОС являются самыми интенсивными.
Сильной стороной ОС Linux является ее универсальность: система покрывает весь диапазон применений -- от настольного PC до сверхмощных многопроцессорных серверов и кластеров. В настоящее время многопроцессорная ОС Linux устойчиво работает на платформах PC, Alpha, PowerPC, Macintosh, SGI MIPS, Strong ARM, SGI Visual Workstations, VAX, 8086, PC-98, Palm Pilot, HP PA-RISC, Sparc & UltraSparc64 systems, m68k [3].

Будучи операционной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows. Однако следует отметить, что эта ОС отличается особой мощью и гибкостью. Большинство операционных систем персональных компьютеров, например DOS, создавались для небольших ПК, обладавших ограниченными возможностями и лишь недавно превратившихся в универсальные машины. Такие ОС постоянно модернизируются, поскольку они должны соответствовать непрерывно развивающимся возможностям аппаратных средств персональных компьютеров. Система же Linux разрабатывалась совершенно в ином контексте. Она представляет собой ПК-версию операционной системы Unix, которая десятилетиями используется на мэйнфреймах и мини-ЭВМ и является основной ОС рабочих станций. Linux предоставляет в распоряжение вашего ПК скорость, эффективность и гибкость Unix, используя при этом все преимущества современных персональных машин.

С финансовой точки зрения Linux обладает одним весьма существенным достоинством — она не коммерческая. В отличие от операционной системы Unix, Linux распространяется бесплатно по генеральной открытой лицензии GNU в рамках Фонда бесплатного программного обеспечения (Free Software Foundation), благодаря чему эта ОС доступа всем желающим. В действительности система Linux защищена авторским правом и не находится в общедоступном пользовании, однако открытая лицензия GNU — это почти то же самое, что и передача в общедоступное пользование. Она составлена таким образом, что Linux остается бесплатной и в то же время стандартизированной системой. Существует лишь один официальный вариант Linux [7].

Некоммерческий характер Linux иногда создает у людей неверное впечатление о ней: некоторые считают, что эта операционная система не относится к числу профессиональных. По сути дела, Linux является ПК-версией ОС Unix. Для того чтобы оценить ее по достоинству, нужно уяснить тот особый контекст, в котором разрабатывалась система Unix [3]. В отличие от большинства других операционных систем, Unix разрабатывали в университетской, академической среде. Для университетов и исследовательских лабораторий Unix — то, что надо. Ее разработка шла параллельно с революцией в области вычислительной техники и коммуникаций, которая длится вот уже несколько десятилетий. Профессионалы по части компьютерной техники нередко разрабатывали на базе Unix новые технологии. В частности, это касается средств для работы в Internet. Будучи весьма сложной системой, Unix, тем не менее, с самого начала строилась как система очень гибкая. Ее можно запросто модифицировать, создавая тем самым различные версии. Так, многие фирмы-производители поддерживают разные официальные варианты Unix. Фирмы IBM, Sun, Hewlett-Packard продают и осуществляют техническое сопровождение собственных вариантов [13]. Специалисты, занятые в научно-исследовательских программах, создают свои версии, соответствующие их конкретным задачам. Эта внутренняя гибкость структуры ОС Unix никоим образом не сказывается на ее высочайшем качестве. Наоборот, она подтверждает ее устойчивость, позволяя в то же время адаптировать систему практически к любой среде. Именно в этом контексте разрабатывалась ОС Linux. В этом смысле Linux — всего лишь еще один вариант Unix, версия для ПК. Процесс ее разработки компьютерными профессионалами, работающими в научной и околонаучной среде, соответствует обычной процедуре разработки версий Unix. Однако Linux распространяется по открытой лицензии. Linux — это высококлассная операционная система, доступная всем, причем бесплатно.

Управление файлами, управление программами и взаимодействие с пользователями — это традиционные функции, общие для всех операционных систем. У Linux, как и у всех версий Unix, есть еще две особенности: она является многопользовательской и многозадачной системой. Многозадачность означает, что систему можно "попросить" выполнить несколько задач одновременно. Пока выполняется одна задача, вы работаете с другой. Например, когда печатается один файл, можно редактировать другой, не ожидая окончания процесса печати. Многопользовательский режим означает, что в системе одновременно могут быть зарегистрированы несколько пользователей, каждый из которых взаимодействует с нею через свой терминал [7].

Первоначально операционные системы предназначались для повышения эффективности работы аппаратных средств. Возможности первых компьютеров были ограниченными, и операционной системе приходилось извлекать их них максимум возможного. В этом отношении операционные системы были рассчитаны не на пользователя, а на аппаратные средства. Как правило, ОС отличались жесткостью, вынуждая пользователя приспосабливаться к требованиям эффективности использования аппаратных средств [6].

Как версия системы Unix, Linux отличается характерной для этой ОС гибкостью, обусловленной в первую очередь тем, что эта ОС развивалась в среде исследователей и ученых. Операционную систему Unix разработал Кен Томпсон, сотрудник фирмы Bell Laboratories концерна AT&T, в конце 60-х — начале 70-х годов. Unix вобрала в себя целый ряд новых разработок в области операционных систем. Она создавалась как операционная система для исследователей. При разработке Unix была поставлена задача создать систему, которая могла бы удовлетворять непрерывно изменяющимся требованиям сотрудников, занимающихся разнообразными исследованиями. Для достижения этой цели Томпсону пришлось разрабатывать систему, которая могла решать множество разнотипных задач. Гибкость системы стала более важным качеством, нежели эффективность работы аппаратных средств. Как и Unix, Linux позволяет пользователям справиться с решением чрезвычайно широкого круга задач [7].

ОС рассматривается как механизм, предоставляющий в распоряжение пользователя набор высокоэффективных инструментов. Такая ориентация на пользователя означает, что вы можете конфигурировать и программировать систему в соответствии со своими конкретными потребностями. В случае с Linux операционная система действительно становится операционной средой.