Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров, история ЭВМ.pdf

Аппаратное обеспечение персонального компьютера

Операционная система тесно связана с аппаратным обеспечением компьютера, так как занимается распределением ресурсов, предоставленным ей.

В состав ПК, как правило, входят: процессор, устройства ввода-вывода, память и шины, посредством которых устройства соединены и работают друг с другом.

Процессоры.

Процессор – это устройство, исполняющее машинный инструкции, являющиеся кодом программы. Его называют «мозгом» компьютера. Его работа заключается в выборе команды, ее последующему декодированию и выполнению, данные процедуры совершаются вплоть до тех пор, пока выполняемая программа не закончится.

Основными характеристиками процессора являются:  тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.

Современные процессоры работают как правило в двух режимах: пользовательском режиме и режиме ядра. Эту тему мы раскроем далее.

Память.

Память в свою очередь делится на ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство).

Требования, предъявляемые к памяти: быстродействие, большой объем. Память должна быть быстрой для того, чтобы комфортно взаимодействовать с процессором и не тормозить его работу.

Следует отметить, что память имеет свою структуру иерархии, предоставленной на картинке ниже:

Структура иерархии памяти

Останавливаться на каждом из пунктов мы не будем, для пользователей самыми знакомыми являются ОЗУ (основная память) и магнитные диски.

Оперативная память является основной рабочей областью, так как рабочие (активные в данный момент времени) программы загружаются и работают через эту память.

Однако для хранения больших объемов памяти, используются магнитные, или жесткие диски. Они превосходят ОЗУ по своему объему и уступают ей в стоимости. Такие диски состоят из металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200, 10 800 и более оборотов в минуту.

Упрощенная схема жесткого диска.

Устройства ввода-вывода.

Устройства ввода и вывода играют большую роль во взаимодействии с компьютером.

Типичные устройства ввода, привычные нам, это: клавиатура, мышь, сканер. Устройства вывода, это: монитор, колонки, принтер.

Для работы, эти устройства производят системный вызов, который через ядро, направляется к драйверу устройства, а тот в свою очередь выполняет запрашиваемую команду.

Шины.

Шины необходимы для соединения всех компонентов ПК между собой. К примеру, в первом поколении ЭВМ, шины представляли из себя лишь группой проводников, которые подключали память и периферию к процессору устройства.

Сейчас компьютеры имеют как внутреннюю, так и внешнюю шины. Таким образом, внутренняя шина подключает внутренние компоненты к материнской плате, к примеру процессор и память. Внешняя же подключает периферийные устройства.

Материнская плата содержит в себе первую программу, начинающую функционировать при запуске – BIOS (Basic Input Output System). Эта программа содержит в себе низкоуровневое программное обеспечение, работающее с вводом и выводом, и способна считывать информацию, вводимую с клавиатуры и выводить ее на экран.

BIOS проверяет аппаратное обеспечение на готовность к работе, после чего запускается операционная система.

Виды операционных систем

Операционные системы мейнфреймов

Операционные системы мэйнфреймов ориентированы на одновременную обработку множества задач, большинство из которых требуют больших объемов данных ввода-вывода. Обычно они предлагают три вида услуг:

• пакетная обработка,
• обработка транзакций
• работа в режиме разделение времени.

Пакетная обработка проводится без участия пользователей, её примеры: обработка исков в страховых компаниях, или каких-либо других отчетов.

Обработка транзакций производится с меньшими запросами, однако их количество превышает пакетную обработку. Примеры: банковские чеки или бронирование авиабилетов.

Суть работы в режиме разделения времени, заключается в том, что множество пользователей могу единовременно обратиться к одному и тому же процессу, к примеру, к базе данных на одном сервере.

Серверные операционные системы

Такие операционные системы зачастую представлены рабочими станциями, способными обрабатывать запросы множества пользователей единовременно. Они могут предоставлять пользователям доступ к аппаратным и программным ресурсам сервера и выполнять такие услуги как: печать, хранение файлов или веб-служб. Их типичные представители: Solaris, FreeBSD, Linux и Windows Server 201x.

Многопроцессорные операционные системы

С появлением и развитием многоядерных процессоров, многопроцессорные ОС перестали быть чем-то удивительным. В режиме многопроцессорной операционной системы могут работать такие популярные операционные системы как Windows и Linux.

Суть такой ОС состоит в том, что за счет объединения нескольких процессоров в единую систему, её можно назвать параллельным компьютером (мультикомпьютером).

Операционные системы персональных компьютеров

Самые распространенные и популярные на сегодняшний день операционные системы. Такие системы многозадачны и направлены на обслуживание отдельного пользователя. Такие системы используют зачастую для создания и обработки текстов или таблиц, для удобного использования Интернета, и для игр.

Представители данных ОС в представлении не нуждаются, это Windows 8, Windows 10, Linux и macOS компании Apple.

Операционные системы карманных персональных компьютеров

КПК изначально представляли собой компьютер, работающий находясь в руке человека. Самые популярные представители устройств, с данной ОС – смартфоны и планшеты, встречающиеся повсеместно. Доминирующими на рынке, представителями данных ОС являются – Android от компании Goole и IOS от Apple.

Встроенные операционные системы

Встроенные системы используются в технике, не предусматривающей какое-либо стороннее программное обеспечение. К примеру холодильники, микроволновые печи, телевизоры и прочая техника, не имеющая на первый взгляд операционной системы, но работающая по определенной, заданной ей программе. Представители таких систем: Embedded Linux, QNX и VxWorks.

Операционные системы реального времени

Ключевым параметром, с которым работают такие системы, является время. Такие системы поставлены в жесткие временные рамки, которые должны быть просчитаны и выполнены. Данные системы применяются к примеру, на предприятиях. Порой они могут состоять лишь из простой библиотеки, сопряженной с прикладными программами. Примером такой системы может послужить eCos. Чуть позже мы рассмотрим их подробней.

Операционные системы смарт-карт

Операционные системы смарт-карт являются, пожалуй, самыми маленькими и самыми ограниченными. Зачастую даже питание карты идет от подключения ее к контактам считывающего устройства, или же бесконтактные карты, питание которых основано на индукции. Некоторые представители таких карт могут быть ограничены лишь одной функцией, к примеру платежом. Представители таких карт используются нами в повседневной жизни. В основном это знакомые нам карты-пропуски или кредитные карты.

Основные функции операционной системы

Как мы уже говорили, операционная система служит для правильного распределения ресурсов компьютера, параллельно выступая в качестве интерфейса между аппаратурой и пользователем.

Краткий обзор основных функций

Функционал, который выполняет ОС достаточно велик. Если выделить основные функции операционной системы, то мы получим следующие пункты:

• Прием заданий или команд от пользователя, и их дальнейшая обработка
• Перевод (загрузка) запущенного приложения в оперативную память
• Организация виртуальной памяти и ее распределение
• Запуск программы (передача ей полномочий, после чего процессор начинает ее выполнять)
• Идентификация всех программ и данных
• Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений
• Обслуживание всех операций ввода-вывода
• Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД)
• Организация параллелизма (обеспечение режима мультипрограммирования)
• Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.
• Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.
• Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.
• Аутентификация и авторизация пользователей
• Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для операционных систем реального времени)
• Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы
• Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы

Процессы и потоки

Современные компьютеры имеют довольно мощные процессоры, которые работают настолько быстро, что могул выполнять последовательные команды, однако человек будет воспринимать их как параллельные.

Для обеспечения процессоров такой функцией некоего параллелизма как раз и существуют процессы. Точнее процессы и потоки.

Итак, процессы возникают в следствии какого-либо запроса или вызова, а завершаются по нескольким причинам, таким как: добровольный выход из программы или системы пользователем, возникновение ошибки, приводящее к завершению процесса, или принудительное завершение процессором или пользователем.

У процессов есть своя иерархия, которая формируется следующим образом: есть некий «родительский процесс», который отправил запрос и породил уже «дочерний» процесс. Этот дочерний процесс также может запускать новые процессы, выстраивая «родственную» иерархию.

Основная роль операционной системы при работе с процессами, заключается в том, что: она создает и удаляет задачи, диспетчизирует их и проводит планировку процессов, синхронизирует задачи и предоставляет им средства коммуникации.

Управление памятью

Память – один из важнейших ресурсов ПК. Когда речь заходит о памяти, то учитывается и цена вопроса. В действительности, мы можем получить довольно дорогую память, с небольшим объемом, измеряемом в мегабайтах и имеющую высокую скорость. Или же мы можем приобрести больший объем памяти, за более низкую цену, со средней скоростью передачи информации. Далее мы упремся в более дешевые устройства, имеющие терабайты памяти, которая передается совсем медленно.

По этому принципу работает иерархия памяти. В операционной системе, иерархией памяти занимается менеджер или диспетчер памяти.

Память, хранится на устройстве не совсем в таком виде, в котором ее привык видеть пользователь.

Операционная система распределяет память, виртуализирует ее и создает более удобные для пользователя абстрактные модели, с которыми тот может взаимодействовать.

Так же одной из основных функций операционной системы, при работе с памятью является ее распределение.

Память – это ресурс компьютера, который операционная система дает в использование процессам, запросившим её. Задача ОС в этом случает выделить адресное пространство в памяти и перевести активный процесс в этот участок, для работы.

Управление памятью может происходить двумя способами: с помощью битовых матриц и связанных списков.

Битовые матрицы в свою очередь являются более простым решением. Они работают просто, их распределение памяти можно описать так: есть некие единичные блоки, содержащие в себе несколько килобайт памяти. Свободный блок памяти, как правило имеет значение – 0, занятый – 1.

Следует добавить, что память, состоящая из 32n бит, будет использовать n бит матрицы.

Часть памяти с пятью процессами и тремя свободными пространствами, единичные блоки памяти разделены вертикальными штрихами: а — заштрихованные области (которым соответствует 0 в битовой матрице) являются свободными; б — соответствующая битовая матрица; в — та же самая информация в виде списка.