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

Введение

В современном мире значительную часть стала занимать информационные технологии. Компьютеры используются во всех сферах деятельности: медицине, науке, образовании, коммерческой деятельности и т.п., способствуя более быстрой и верной обработки информации, ее хранению и передачу. Общение же пользователя и компьютера происходит посредством операционной системы.

Актуальность данной темы определяется тем, что при развитии и совершенствовании операционных систем, они продолжают выполнять свои главные функции, при этом прибавляя дополнительные. Понимание работы операционной системы и функций способствует более плотному взаимодействию пользователя и компьютера, помогает избежать многих ошибок. Актуальность темы также связанна с потребностью улучшения характеристик операционных систем, повышения качества работы и упрощения взаимодействия.

Цель данной работы – описание функций операционной системы персонального компьютера. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть эволюцию операционных систем,.

2. Дать определение понятию «операционная система».

3. Рассмотреть классификацию операционных систем.

4. Рассмотреть состав операционной системы.

5. Описать функции операционной системы

Итак, рассмотрим историю развития операционных систем, чтобы в историческом разрезе показать, что стало основой для базовых функций, в каком направлении шло и идет развитие операционных систем и от чего оно зависит

1. Операционные системы

1.1. История развития операционных систем

Родоначальником операционной системы принято считать служебные программы (мониторы и загрузчики), а также библиотеки наиболее часто применяемых подпрограмм, которые начали разрабатывать с возникновением универсальных компьютеров первого поколения (конец 1940-х годов). Эти программы свели к минимуму физическое воздействие оператора с оборудованием, а библиотеки позволили избежать частого программирования повторяющихся действий (использования операций ввода-вывода, исчисления математических функций и т. п.) [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);.

История операционной системы насчитывает почти полвека, и во многом складывалась и складывается развитием элементной базы и вычислительной аппаратурой .

Первое поколение - это сороковые годы. Возникновение и развитие первых цифровых вычислительных машины без операционной системы. Вычислительный процесс производится программистом с пульта управления [Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.C.6].

Второе поколение – это пятидесятые годы. Появление прообраза операционной системы - мониторные системы, реализующие систему пакетной обработки заданий. Необходимость оптимально использовать ресурсов, которые являются дорогостоящими, привела к появлению идеи «пакетного режима» исполнения программ.

Данный режим предусматривает очередь программ на выполнение, при этом операционная система делает возможным загрузку программы в оперативную память с внешних носителей данных, не ожидая завершения выполнения предыдущей программы, что помогает избежать простоя процессора.

Третье поколение - 1965-1980 г.г. Происходит переход к интегральным схемам IBM/360. В это период реализуются практически все основные концепции, которые свойственны современным операционным системам: 

- Многозадачность и разделение времени. Разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ потребовалось уже при пакетном режиме. Эта необходимость проявилась еще острее при расширении телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) в качестве устройств ввода-вывода (1960-е годы).

Так как скорость ввода с клавиатуры (и даже чтения с экрана) данных оператором значительно ниже, чем скорость обработки таких данных ЭВМ, применение компьютера в «монопольном» режиме (с 1 оператором) приводило к простою дорогих вычислительных ресурсов.[Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.- C.8]

Разделение времени дало возможность создать «многопользовательские» системы. В таких системах один (обычно) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с большим количеством терминалами. Вместе с тем, часть задач (таких, как ввод или редактирование данных оператором) могла выполнятся в режиме диалога, а иные задачи (такие, как массивные вычисления) — в пакетном режиме [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.7].

- Разделение полномочий. Расширение использования многопользовательских систем вызвало решения задачи разделения полномочий, которые способствуют избежать возможности варианта выполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой (которая содержит ошибку или злонамеренно подготовленной) программы, а также варианты самой операционной системы прикладной программой. Эта идея была поддержана разработчиками процессоров, которые предложили архитектуру с двумя режимами работы процессора — «реальным» (при котором выполняемая программа имеет доступ ко всему адресному пространству компьютера) и «защищённым» (при котором доступ к адресному пространству ограничен интервалом, выделенном при запуске программы на выполнение).

- Реальный масштаб времени — это синхронизация выполнения программ с внешними физическими процессами, который позволил создавать системы, параллельно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени) [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с;C.9]. Этим операционные системы дали название «Операционные системы с планированием в реальном масштабе времени», сокращенно ОСРВ.

- Файловые системы и структуры. На этом этапе происходит постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных диск).

Выполнение мультипрограммирования вызвала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера: привилегированный и пользовательский режимы, средства защиты областей памяти, развитой системы прерываний [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);].

Четвертое поколение - конец семидесятых. Был создан рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. После (в 1983 году) он был стандартизирован. Этот стек протоколов сделала основным стеком для большинства операционных систем независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой Интернет,.

Начало восьмидесятых. Этот период знаменуется возникновением персональных компьютеров, происходит бурный рост локальных сетей. Поддержка сетевых функций стала обязательным условием [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.;].

Восьмидесятые годы. Происходит принятие основных стандартов на коммуникационные технологии локальных сетей: Ethernet, TokenRing, FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях.

Начало девяностых. Практически все операционные системы стали сетевыми. Возникли специализированные сетевые операционные системы (например IOS, работающая в маршрутизаторах [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);])

За последнее десятилетие, было уделено особое внимание корпоративным сетевым операционным системам, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.;].

Теперь, непосредственно перейдем к определению понятия «операционная система»

1.2. Понятие и назначение операционных систем

«Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных (системными принято называть такие программы, которые используются всеми остальными программами) управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений» [Гордеев А.В.Операционные системы:Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. — 416 с.; C.13].

Назначение операционной системы:

• формирование вычислительного процесса в вычислительной системе;
• распределение вычислительных ресурсов рационально между отдельными выполняемыми задачами;
• оказание пользователям многочисленных сервисных средств, которые облегчают процесс программирования и отладки задач.

Операционная система выполняет роль особого интерфейса (сочетания в себе аппаратуры и программных средств, которые нужны для подключения внешних устройств к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ)) между пользователем и вычислительной системой, то есть операционная система предоставляет пользователю виртуальную вычислительную систему. Это значит, что операционная система в большей степени формирует у пользователя представление о возможностях вычислительной системы, удобстве работы с ней, ее пропускной способности.

Разные операционные системы на одних и тех же технических средствах могут дать пользователям разного рода возможности для оптимизации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных. Операционная система в программном обеспечении вычислительных систем занимает базовое положение, так как проводит планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любой из составляющих программного обеспечения обязательно работает под управлением операционной системы.

Операционная система должна:

• быть признанной общественно и применяться как стандартная система на многих компьютерах;
• уметь работать со всеми устройствами компьютера, а так же давно выпущен­ными;
• обеспечивать запуск различных программ, которые написанных разными программистами и в разное время;
• давать средства для проверки, настройки, обслуживания ком­пьютерной системы.

В наше время операционные системы обладают многозадачностью, то есть предоставляют пользователю возможность запускать единовременно более одного приложения, при этом наблюдая результат исполнения каждой из них. Это происходит благодаря строению (конструкции) операционной системы и функциональности процессоров – операционные системы создаются для процессора, а не наоборот. Современный процессор обладает собой не одноядерным, а двухъядерным и даже четырехъядерным решением, что увеличивает его производительность на много. Это использует операционная система, которая оптимально разделяет ресурсы процессора между всеми запущенными процессами.

Важнейшими характеристиками операционной системы становятся стабильность ее функционирования и устойчивость к различным угрозам – внешним (вирусам) и внутренним (аппаратным сбоям и конфликтам). На данный момент существует два вида операционных систем – серверные и однопользовательские. Первые являю собой мощную программную реализацию, так как содержат механизмы, контролирующие отношения и поддерживающие локальную сеть. Вторые – более легкие, которые работают как автономно, так и в составе сети, подчиняясь ее правилам.

Однако, существуют еще другие классификации операционных систем.

1.3. Виды операционных систем

Классификацию операционных систем можно описать разными способами.

1. По способу организации действий:
   • системы пакетной обработки (batchprocessingoperatingsystems), цель которых - выполнение наибольшего количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, обрабатываемый системой;
   • системы разделения времени (time-sharingoperatingsystems), цель которых - возможность одновременного применения одного компьютера несколькими пользователями; происходит посредством поочередного предоставления каждому пользователю диапозона процессорного времени;
   • системы реального времени (real-timeoperatingsystems), цель которых - выполнение каждой задачи за строго выделенный для данной задачи промежуток времени.
2. По типу ядра:
   • системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
   • системы с микроядром (microkernel operating systems);
   • системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
3. По количеству одновременно выполняемых задач:
   • однозадачные (single-tasking operating systems): например, Dos – когда после загрузки управление отдается прикладной программе, получающей в своё пользование все ресурсы компьютера и может осуществлять ввод/вывод посредством как функций выделяемых операционной системой, так и функций основной системы ввода/вывода, а также работать с устройствами напрямую. MS-DOS — самая известная ОС из семейства DOS, которую устанавливали на большинство компьютеров. Сегодня она практически не используется.
   • многозадачные (multitaskingoperatingsystems), например Windows, Unix – современная многопользовательская, многозадачная ОС, является машинонезависимой, что обеспечивает высокую мобильность ОС и легкую переносимость прикладных программ на компьютеры различной архитектуры.
4. По количеству одновременно задействованных пользователей:
   • однопользовательские (single-user operating systems);
   • многопользовательские (multi-user operating systems).
5. По объему поддерживаемых процессоров:
   • однопроцессорные (uniprocessoroperatingsystems);
   • многопроцессорные (multiprocessoroperatingsystems).
6. По поддержке сети:
   • локальные (localoperatingsystems) – автономные системы, которые не предназначены для работы в компьютерной сети;
   • сетевые (networkoperatingsystems) – системы, которые имеют компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
7. По роли в сетевом взаимодействии:
   • серверные (serveroperatingsystems) – операционные системы, которые дают доступ к ресурсам сети и управляют сетевой инфраструктурой;
   • клиентские (clientoperatingsystems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
8. По типу лицензии:
   • открытые (open-sourceoperatingsystems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
   • проприетарные (proprietaryoperatingsystems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
9. По области применения:
   • операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframeoperatingsystems);
   • операционные системы серверов (serveroperatingsystems);
   • операционные системы персональных компьютеров (personalcomputeroperatingsystems);
   • операционные системы мобильных устройств (mobileoperatingsystems);
   • встроенные операционные системы (embeddedoperatingsystems);
   • операционные системы маршрутизаторов (routeroperatingsystems).