Меню
ГлавнаяIos

Функции которые выполняет операционная система. Объектами ядра ОС являются. Понятие операционной системы(ОС). Назначение, основные функции и разновидности ОС

Основной составляющей базового системного ПО является операционная система (ОС), которая устанавливается на жестком диске компьютера и выполняет огромный объем работы, который не виден пользователю. Если условно принять программное обеспечение компьютера за айсберг, то операционную систему можно сравнить с подводной частью айсберга.

Операционная система – это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для того, чтобы обеспечить пользователю, а также системным и прикладным программам, удобный способ общения с компьютером через клавиатуру и манипулятор мышь.

ОС классифицируются по следующим признакам.

    Различаютоднопрограммный и мультипрограммный режимы работы ОС. Мультипрограммный –режим, при котором на однопроцессорной системе выполняется несколько программ.

    По организации работы в диалоговом режиме различаютоднопользовательские (однотерминальные) и многопользовательские (мультитерминальные ) ОС.

    Выделяется классОС реального времени, которые отличаются выполнением поступающих команд в заданные промежутки времени, которые нельзя превышать.

ОС состоит из модулей. Файл, содержащий один из модулей ОС, называется системным файлом. Системные файлы находятся в корневом каталоге жесткого диска. При включении компьютера происходит считывание ОС с жесткого диска в оперативную память (загрузка), а также настройка и запуск ОС.

Структура ОС содержит следующие компоненты:

    Ядро – это наиболее часто используемые модули ОС, например:

    модуль управления системой прерываний;

    средства распределения оперативной памяти;

    средства распределения ресурсов процессора,

    Резидентные программы – это программы, входящие в состав ядра, например, программы-драйверы, управляющие внешними устройствами; при функционировании компьютера резидентные программы постоянно находятся в оперативной памяти,

    Командный процессор –программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, а также за взаимодействие этих команд с ядром ОС,

    Система управления файлами –программа дляорганизации удобного доступа к файлам.Для каждой ОС разрабатывается своя файловая система.

Основные функции ОС

    прием команд пользователя и их обработка;

    прием и исполнение запросов на запуск и остановку программ;

    передача управления загруженной программе;

    обеспечение работы системы управления файлами;

    обеспечение режима мультипрограммирования, т.е. выполнения двух и более программ на одном процессоре;

    обеспечение операции ввода-вывода;

    распределение памяти;

    обеспечение сохранности данных и другие.

3. Разновидности операционных систем

Дисковые операционные системы

В первых компьютерах операционная система отсутствовала, управление осуществлялось на основе простейших языков программирования, которые содержались в ПЗУ, позволяли загружать программы и управлять программой с клавиатуры.

В начале 80-х годов с появлением магнитных дисков была написана первая программа, в которой каждому названию файла присваивались определенные номера дорожек и секторов. Так появилась дисковая операционная система – DOS . Далее дисковой системе поручили решать и другие задачи, например, записывать, копировать и удалять файлы, исключать повторяющиеся названия и т.п. В связи с необходимостью структурирования возрастающего объема данных появились каталоги файлов, из которых постепенно была создана Файловая структура , которая обслуживалась операционной системой.

Фирма Microsoft (США) с 1981 по 1995 год, постепенно усложняя, выпустила несколько версий системы от MS - DOS 1.0 до MS - DOS 6.22

Недостатки дисковых операционных систем:

    первые операционные системы были построены на текстово-символьном интерфейсе (набор команд с клавиатуры);

    на изучение последних версий MS-DOS и решение компьютерных задач требовалось много времени.

Текстовые программы-оболочки

Программа-оболочка – это надстройка операционной системы , которая упрощает работу на компьютере и запускается под управлением операционной системы. Упрощение заключается в выборе команд или файлов из списка вместо набора с клавиатуры.

Самая известная программа-оболочка – Norton Commander , которая наглядно показывает всю файловую структуру, позволяет не запоминать команды, а работать с ними через строку меню. Несмотря на появление более совершенных программ, Norton Commander до настоящего времени используется на многих компьютерах.

Графические оболочки

На смену текстовой программе-оболочке типа Norton Commander пришла графическая оболочка операционной системы . Фирмой Microsoftсначала была создана графическая оболочка Windows 1.0 , затем появились её версии под номерами 2.0; 3.0; 3.1; 3.11.

Оболочка Windows, которую назвали средой, работала под управлением системы MS-DOS и не являлась самостоятельной операционной системой.

Среда Windows изначально отличалась следующими признаками:

    многозадачность;

    единый программный интерфейс;

    единый интерфейс пользователя;

    графический интерфейс;

    единый аппаратно-программный интерфейс.

Графические операционные системы

Распространение графических принципов построения программ на всю операционную систему в целом привело к созданиюграфической операционной системы. Лидером в разработке графических систем признана фирма Microsoft, которая с начала 90-х годов создала целый ряд ОС, среди которых можно выделить наиболее известные версии:

    Windows NT – первая графическая операционная система;

    Windows 95 – наиболее популярная версия 90-х годов;

    Windows 98 – доработанная 95-я версия;

    Windows 2000 – система, ориентированная на корпоративного клиента;

    Windows ХР – наиболее популярная версия для настольных компьютеров с 2002 года;

    Windows 7 –популярная система, выпущенная на рынок в 2009 г.;

    Windows 8 – версия, которая внедряется с 2012 г., включает возможности работы с сенсорными экранами, имеет плиточный интерфейс.

Все версии операционных систем фирмы Microsoft относятся к категории лицензионных и продаются на рынке программных продуктов по коммерческим ценам.

Сетевое обеспечение

Распределенная система – набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в распределённой системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим увеличить скорость вычислений, объем доступной информации, повысить надежность.

Командный интерфейс системы

Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:

Создание и управление процессов;

Управление вводом/выводом;

Управление внешней памятью;

Управление основной памятью;

Доступ к файловой системе;

Поддержку работы сети.

Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имеет разные названия:

Интерпретатор управляющих карт;

Процессор команд консолей;

-shell (в Unix ).

Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.

1. Функции операционных систем

2. Система прерываний

3. Защита памяти.

4. Виртуа́льная па́мять

5. Управление данными

6. Фа́йловая систе́ма

7.

8. Утили́та

9. Дра́йвер

10. Технология Plug-and-Play

11. Мультимедиа

Функции операционных систем

По современным представлениям операционная система должна уметь делать следующее:

− обеспечивать загрузку прикладных программ в память и их исполнение,

− обеспечивать управление памятью; в простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой, в многопроцессных системах это сложная задача управления системными ресурсами,

− обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, оптические диски, флэш-память и т. д.,

− предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как модемы, принтеры или двигатели, поворачивающие рулевые плоскости истребителя,

− предоставлять некоторый пользовательский интерфейс (слово некоторый здесь сказано не случайно - часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы).

Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа - дисковая операционная система MS DOS.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

− параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач,

− организацию взаимодействия задач друг с другом,

− организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов,

− защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ,

− аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.

Система прерываний

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для её исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.

Можно считать, что центральный процессор переключает свое внимание с устройства на устройство и с функции на функцию. На что именно обращено внимание ЦП в каждый данный момент, определяется выполняемой им программой.

Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или другими словами – входят в зону его внимания.

Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует система прерываний ЭВМ.

Прерывание – это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой – обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Выполнение прерывания в компьютере: tр - время реакции процессора на запрос прерывания; tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания; tв - время восстановления прерванной программы

После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы – обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.

Время реакции – это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию.

Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.

Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора.

Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды.

Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом.

Глубина прерывания – максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 1.3.2. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.

Рис. 1.3.2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний

Без учета времени реакции, а также времени запоминания и времени восстановления:

Прерывания делятся на аппаратные и программные.

Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора. Они бывают:

· маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера;

· немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может.

Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:

особый случай, возникший при выполнении команды и препятствующий нормальному продолжению программы (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.);

наличие в программе специальной команды прерывания INTn, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации.

Каждому запросу прерывания в компьютере присваивается свой номер (тип прерывания), используемый для определения адреса обработчика прерывания.

При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:

· определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);

· определение типа выбранного запроса;

· сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;

· определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;

· выполнение программы - обработчика прерывания;

· восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;

· продолжение выполнения прерванной программы.

Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.

Задача программиста – составить программу – обработчик прерывания, которая выполняла бы действия, связанные с появлением запроса данного типа, и поместить адрес начала этой программы в специальной таблице адресов прерываний. Программа-обработчик, как правило, должна начинаться с сохранения состояния тех регистров процессора, которые будут ею изменяться, и заканчиваться восстановлением состояния этих регистров. Программа-обработчик должна завершаться специальной командой, указывающей процессору на необходимость возврата в прерванную программу.

Распознавание наличия сигналов запроса прерывания и определение наиболее приоритетного из них может проводиться различными методами. Рассмотрим один из них.

Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания

На рис. 1.3.3 приведена схема, обеспечивающая получение номера наиболее приоритетного запроса прерывания из присутствующих в компьютере на момент подачи сигнала опроса ("дейзи-цепочка")

Данная схема используется для анализа запросов аппаратных прерываний. Приоритет запросов прерываний (ЗПi) уменьшается с уменьшением номера запроса. В тот момент, когда компьютер должен определить наличие и приоритет внешнего аппаратного прерывания (обычно после окончания выполнения каждой команды), процессор выдает сигнал опроса. Если на входе ЗП3 присутствует сигнал высокого уровня (есть запрос), то на элементе 11 формируется общий сигнал наличия запроса прерывания и дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется. Если ЗП3=0, то анализируется сигнал ЗП2 и так далее. На шифраторе (элемент 12) формируется номер поступившего запроса прерывания.

Этот номер передается в процессор лишь при наличии общего сигнала запроса прерывания.

Такая структура позволяет быстро анализировать наличие сигнала запроса прерывания и определять наиболее приоритетный запрос из нескольких присутствующих в данный момент. Распределение приоритетов запросов прерываний внешних устройств осуществляется путем их физической коммутации по отношению к процессору. Указание приоритетов - жесткое и не может быть программно изменено. Изменение приоритетов возможно только путем физической перекоммутации устройств.

Рис. 1.3.3. Схема определения номера наиболее приоритетного запроса прерывания

Микропроцессоры типа х86 имеют два входа запросов внешних аппаратных прерываний:

· NMI - немаскируемое прерывание, используется обычно для запросов прерываний по нарушению питания;

· INT - маскируемое прерывание, запрос от которого можно программным образом замаскировать путем сброса флага IF в регистре флагов.

Рис. 1.3.4. Структура контроллера приоритетных прерываний

Единственный вход запроса маскируемых прерываний микропроцессора не позволяет подключить к нему напрямую сигналы запросов от большого числа различных внешних устройств, которые входят в состав современного компьютера: таймера, клавиатуры, "мыши", принтера, сетевой карты и т.д. Для их подключения к одному входу INT микропроцессора используется контроллер приоритетных прерываний (рис. 1.3.4). Его функции:

· восприятие и фиксация запросов прерываний от внешних устройств;

· определение незамаскированных запросов среди поступивших запросов;

· проведение арбитража: выделение наиболее приоритетного запроса из незамаскированных запросов в соответствии с установленным механизмом назначения приоритетов;

· сравнение приоритета выделенного запроса с приоритетом запроса, который в данный момент может обрабатываться в микропроцессоре, формирование сигнала запроса на вход INT микропроцессора в случае, если приоритет нового запроса выше;

· передача в микропроцессор по шине данных типа прерывания, выбранного в процессе арбитража, для запуска соответствующей программы - обработчика прерывания; это действие выполняется по сигналу разрешения прерывания INTA от микропроцессора, который выдается в случае, если прерывания в регистре флагов микропроцессора не замаскированы (IF=1).

Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица (рис. 1.3.5) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.

Рис. 1.3.5. Структура таблицы векторов прерываний

Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду - типу прерывания (табл. 1.3.1).

Таблица 1.3.1.

Различные источники задают тип прерывания по-разному:

· программные прерывания вводят его изнутри процессора или содержат его в номере команды INT n;

· аппаратные маскируемые прерывания вводят его от контроллера приоритетных прерываний по шине данных;

· немаскируемому аппаратному прерыванию назначен тип 2.

Во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль – супервизор прерываний.

Супервизор прерываний выполняет следующие действия:

Сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи;

Определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;

Устанавливает необходимый режим обработки пребывания;

Передает управление подпрограмме обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач. Диспетчер задач производит:

Выбор готовой к выполнению задачи (в соответствии с дисциплиной обслуживания)

Восстановление контекста задачи;

Установка прежнего режима работы системы прерываний;

Передачу управления выбранной задаче.

В мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе.

В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет её до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д.

При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной.

Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.

Защита памяти.

Если в памяти могут одновременно находиться несколько независимых программ, необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращения одной программы к областям памяти используемым другими программами. Программы могут содержать такие ошибки, которые если этому не воспрепятствовать приводят к искажению информации принадлежащей другим программам. Таким образом, надо исключать воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и на программно операционную систему. Для воспрепятствования разрушению достаточно защитить область памяти данной программы от попыток записи в нее со стороны других программ, а в некоторых случаях и своей программы (защита от записи). При этом допускается обращение других программ в этой области для считывания данных. В других случаях, например при обращении на доступ к информации хранящейся в системе надо иметь возможность запрещать, другим программам производить, как запись, так и чтение в данной области памяти. Такая защита от записи и чтения помогает отладке программы, при этом осуществляется контроль каждого случая выхода за область памяти своей программы. Для облегчения отладки программ желательно выявлять и такие характерные ошибки в программах, как попытки использования данных вместо команд или команд вместо данных в собственной программе, хотя эти ошибки могут и не разрушать информацию. Отмечают следующие варианты дифференцированной защиты, при различных операциях с памятью:

1. задается отношение к области памяти чужой программы, определяющей относится защита только к операции с записью или к любому обращению в память;

2. задается одно из следующих обращений к области памяти собственной программы:

· разрешается доступ к данному блоку, как для записи, так и для считывания;

· разрешается только считывание;

· разрешается обращение любого вида по адресу взятого только из счетчика команд;

· разрешается обращение по адресу из любого реестра кроме счетчика команд.

Если нарушается защита памяти, использование программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти.

Защита от вторжения программы в чужие области памяти может быть организована различным образом, при этом реализация защиты не должна заметно снижать производительность системы и требовать слишком больших аппаратных затрат.

Виртуа́льная па́мять

Виртуа́льная па́мять - технология, разработанная с целью увеличения общего объема памяти, её защиты и автоматизации процесса перемещения машинного кода и данных между основной памятью компьютера и вторичным хранилищем.

В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных процессорах.

В случае расположения данных на внешних запоминающих устройствах память может быть представлена, например, специальным разделом на жёстком диске (partition) или отдельным файлом на обычном разделе диска.

Также существует термин swap (англ. swap, /swɔp/) также означающий виртуальную память (точнее способ её представления), или же означает подкачку данных с диска.

Применение механизма виртуальной памяти позволяет:

· упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением;

· рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);

· изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).

Управление данными

Управление данными (англ. data management) - процесс, связанный с накоплением, организацией, запоминанием, обновлением, хранением данных и поиском информации.

К управлению да́нными относятся:

§ Анализ данных

§ Моделирование данных

§ Управление базами данных

§ Работа с хранилищами данных

§ Извлечение, преобразование и загрузка данных

§ Добыча данных

§ Обеспечение качества данных

§ Защита данных

§ Управление метаданными (репозиториями данных)

· Архитектура данных

Вопросы представления данных тесно связаны с операциями, при помощи которых эти данные обрабатываются. К числу таких операций относятся: выборка, изменение, включение и исключение данных. В основе всех перечисленных операций лежит операция доступа, которую нельзя рассматривать независимо от способа представления.

В задачах поиска предполагается, что все данные хранятся в памяти с определенной идентификацией и, говоря о доступе, имеют в виду прежде всего доступ к данным (называемым ключами), однозначно идентифицирующим связанные с ними совокупности данных.

Пусть нам необходимо организовать доступ к файлу, содержащему набор одинаковых записей, каждая из которых имеет уникальное значение ключевого поля. Самый простой способ поиска - последовательно просматривать каждую запись в файле до тех пор, пока не будет найдена та, значение ключа которой удовлетворяет критерию поиска. Очевидно, этот способ весьма неэффективен, поскольку записи в файле не упорядочены по значению ключевого поля. Сортировка записей в файле также неприменима, поскольку требует еще больших затрат времени и должна выполняться после каждого добавления записи. Поэтому, поступают следующим образом - ключи вместе с указателями на соответствующие записи в файле копируют в другую структуру, которая позволяет быстро выполнять операции сортировки и поиска. При доступе к данным вначале в этой структуре находят соответствующее значение ключа, а затем по хранящемуся вместе с ним указателю получают запись из фала.

Существуют два класса методов, реализующих доступ к данным по ключу:

· методы поиска по дереву,

· методы хеширования.

Деревом называется конечное множество, состоящее из одного или более элементов, называемых узлами, таких, что:

· между узлами имеет место отношение типа "исходный-порожденный";

· есть только один узел, не имеющий исходного. Он называется корнем;

· все узлы за исключением корня имеют только один исходный; каждый узел может иметь несколько порожденных;

· отношение "исходный-порожденный" действует только в одном направлении, т.е. ни один потомок некоторого узла не может стать для него предком.

Хеширование используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией (от английского "to hash" - резать, измельчать). Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае ключевые данные, используемые для определения адреса записи организуются в виде таблицы, называемой хеш-таблицей.

Если множество ключей заранее неизвестно или очень велико, то от идеи однозначного вычисления адреса записи по её ключу отказываются, а хеш-функцию рассматривают просто как функцию, рассеивающую множество ключей во множество адресов.

Фа́йловая систе́ма

Фа́йловая систе́ма (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла, максимальный возможный размер файла, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система связывает носитель информации, с одной стороны, и API для доступа к файлам - с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа - это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет из себя набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные и сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

Иерархия каталогов

Практически всегда файлы на дисках объединяются в каталоги.

В простейшем случае все файлы на данном диске хранятся в одном каталоге. Такая одноуровневая схема использовалась в CP/M и первых версиях MS-DOS. Иерархическая файловая система со вложенными друг в друга каталогами впервые появилась в UNIX.

Каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев, как в DOS/Windows, или же объединяться в одно дерево, общее для всех дисков, как в UNIX-подобных системах.

На самом деле, в DOS/Windows системах также, как и в UNIX-подобных существует один корневой каталог со вложенными директориями, имеющими названия «c:», «d:» и т. д. В эти каталоги монтируются разделы жёсткого диска. То есть, c:\ - это всего лишь ссылка на file:///c:/. Однако, в отличие от UNIX-подобных файловых систем, в Windows запись в корневой каталог запрещена, как и просмотр его содержимого.

В UNIX существует только один корневой каталог, а все остальные файлы и каталоги вложены в него. Чтобы получить доступ к файлам и каталогам на каком-нибудь диске, необходимо примонтировать этот диск командой mount. Например, чтобы открыть файлы на CD, нужно, говоря простым языком, сказать операционной системе: «возьми файловую систему на этом компакт-диске и покажи её в каталоге /mnt/cdrom». Все файлы и каталоги, находящиеся на CD, появятся в этом каталоге /mnt/cdrom, который называется точкой монтирования (англ. mount point). В большинстве UNIX-подобных систем съёмные диски (дискеты и CD), флеш-накопители и другие внешние устройства хранения данных монтируют в каталог /mnt, /mount или /media. Unix и UNIX-подобные операционные системы также позволяет автоматически монтировать диски при загрузке операционной системы.

Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на следующие категории:

Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates - в BSD системах. Reiser4 не применяет журналирование, все операции в ней атомарны.

Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Для оптических носителей - CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.

Виртуальные файловые системы: AEFS и др.

Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т.н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

Задачи файловой системы

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

· именование файлов;

· программный интерфейс работы с файлами для приложений;

· отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

· устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя

Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя (ГИП), графический пользовательский интерфейс (ГПИ) (англ. Graphical user interface, GUI) - разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы интерфейса (меню, кнопки, значки, списки и тп.), представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.

В отличие от интерфейса командной строки, в ГПИ пользователь имеет произвольный доступ, с помощью устройств ввода (клавиатуры, мыши и тп.), ко всем видимым экранным объектам (элементам интерфейса) и осуществляется непосредственное манипулирование ими. Чаще всего элементы интерфейса в ГПИ реальзованы на основе метафор и отображают их назначение и свойства, что облегчает понимание и освоение программ пользователями.

История

Впервые концепция ГИП была предложена учеными из исследовательской лаборатории Xerox PARC в 1970-х.

В 1973 году в лаборатории Xerox PARC собрали молодых людей, недовольных политикой США (войной во Вьетнаме) и дали свободу исследований. В результате на свет появляется концепция графического интерфейса WIMP (Windows, Icons, Menus, Point-n-Click). В рамках этой концепции создаётся компьютер Alto.

В 1979 году Three Rivers Computer Company выпускает рабочую станцию PERQ, похожую по принципам построения на Alto. В 1981 Xerox выпускает продолжение Alto - Star.

Коммерческое воплощение концепция ГИП получила в продуктах корпорации Apple Computer. В операционной системе AmigaOS ГИП с многозадачностью был использован в 1985 году. В настоящее время ГИП является стандартной составляющей большинства доступных на рынке операционных систем и приложений.

Примеры систем, использующих ГИП: Mac OS, Solaris, GNU/Linux, Microsoft Windows, NeXTSTEP, OS/2, BeOS.

Классификация

Можно выделить следующие виды ГИП:[источник не указан 121 день]

· простой: типовые экранные формы и стандартные элементы интерфейса, обеспечиваемые самой подсистемой ГИП;

· истинно-графический, двумерный: нестандартные элементы интерфейса и оригинальные метафоры, реализованные собственными средствами приложения или сторонней библиотекой;

· трёхмерный: на данный момент слабо классифицирован.

Одним из требований к хорошему графическому интерфейсу программной системы является концепция «делай то, что я имею ввиду» или DWIM (англ. Do What I Mean). DWIM требует, чтобы система работала предсказуемо, чтобы пользователь заранее интуитивно понимал, какое действие выполнит программа после получения его команды.

Утили́та

Утили́та (англ. utility или tool) - компьютерная программа, расширяющая стандартные возможности оборудования и операционных систем, выполняющая узкий круг специфических задач.

Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам, настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают процесс изменения некоторых параметров проще (автоматизируют его).

Утилиты зачастую входят в состав операционных систем или идут в комплекте со специализированным оборудованием.

4.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ И ВИДЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Для решения любой задачи на компьютере необходимы, по крайней мере, два вида ресурсов: оперативная память для хранения программы и данных и процессор для исполнения команд. Указанные ресурсы могут быть предоставлены задаче самим пользователем, если он вручную разместит в основной памяти программу и данные и введет в машину информацию для запуска процессора. Однако такой способ не приемлем для больших программ, т.к. является очень трудоемким и медленным. Дело в том, что элементарные операции при работе с устройствами компьютера и по управлению его ресурсами - это операции очень низкого уровня, состоящие из нескольких сотен и тысяч элементарных команд.

Операционная система освобождает пользователя от долгой и кропотливой работы, связанной с распределением ресурсов компьютера, управлением устройствами, организацией выполнения программ, выполняя эти действия автоматически.

Основными функциями ОС являются следующие :

· запуск программ и контроль за их прохождением;

· управление оперативной памятью;

· управление устройствами ввода и вывода;

· управление внешней памятью;

· управление взаимодействием одновременно работающих задач;

· обработка вводимых команд для обеспечения взаимодействия с пользователем.

Операционная система обычно состоит из управляющей части и набора системных программ (обслуживающая часть).

Управляющая часть содержится в нескольких файлах. Ее функциями являются: распределение вычислительных ресурсов, запуск и контроль выполнения программ, управление стандартными внешними устройствами, управление файлами. Для обеспечения работы с дополнительными внешними устройствами в состав управляющей части операционной системы входят драйверы . Это очень небольшие программы, которые позволяют работать с конкретными внешними устройствами. Наличие драйверов позволяет подключать к компьютеру различные типы внешних устройств, причем для этого не нужно коренным образом перестраивать вычислительную среду, а достаточно включить в состав ОС определенный драйвер.

В набор системных программ входят программы, также поставляемые в виде отдельных файлов. Они выполняют действия обслуживающего характера, расширяющие возможности ядра операционной системы, предоставляющие дополнительные возможности и удобства пользователю.

Для нормальной работы компьютера определенная часть операционной системы, называемая резидентной , должна постоянно находиться в основной памяти, сокращая, таким образом, объем памяти, доступный для прикладных программ. Другие части системы автоматически загружаются в память из внешних устройств по мере необходимости. После выполнения требуемых действий занимаемые ими области памяти освобождаются.

Существующие операционные системы принято классифицировать следующим образом. По числу одновременно обслуживаемых рабочих мест ОС разделяются на однопользовательские и сетевые .

По количеству одновременно выполняемых программ выделяют однозадачные и многозадачные ОС. В однозадачном режиме все ресурсы компьютера предоставляются только одной программе, которая выполняет обработку данных. При работе в многозадачном (мультипрограммном) режиме несколько не зависимых друг от друга программ выполняют обработку данных одновременно, т.е. параллельно. При этом программы делят ресурсы компьютера между собой.

Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) - комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны - предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами - с одной стороны - и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций (см.: интерфейс программирования приложений).

В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS). Можно попробовать перечислить основные функции операционных систем.

Прием от пользователя (или от оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.

Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.

Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

Идентификация всех программ и данных.

Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений. Операционная система умеет выполнять очень большое количество системных функций (сервисов), которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API) этой операционной системы.

Обслуживание всех операций ввода-вывода.

Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или-систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.

Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения.

Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.

Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.

Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.

а Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.

Аутентификация и авторизация пользователей (для большинства диалоговых операционных систем). Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи2. Очевидно, что если входное имя (login3) пользователя и его пароль совпадают, то, скорее всего, это и будет тот самый пользователь. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может, а что не может делать на компьютере.

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.

Первая задача ОС – организация связи, общения пользователя с компьютером в целом и его отдельными устройствами. Такое общение осуществляется с помощью команд, которые в том или ином виде человек сообщает операционной системе. В ранних вариантах операционных систем такие команды просто вводились с клавиатуры в специальную строку. В последующем были созданы программы – оболочки ОС, которые позволяют общаться не только с ОС не только текстовым языком команд, а с помощью меню (в том числе пиктографического) или манипуляций с графическими объектами.

Вторая задача ОС – организация взаимодействия всех блоков компьютера в процессе выполнения программы, которую назначил пользователь для решения задачи. В частности, ОС организует и следит за размещением в оперативной памяти и на диске нужных для работы программы данных, обеспечивает своевременное подключение устройств компьютера по требованию программы и т.п.

Третья задача ОС – обеспечение так называемых системных работ, которые бывает необходимо выполнить для пользователя. Сюда относится проверка, “лечение” и форматирование диска, удаление и восстановление файлов, организация файловой системы и т.п. Обычно такие работы осуществляются с помощью специальных программ, входящих в ОС и называемых утилитами.

Примеры ОС: 1) Windows – лидер среди ОС. Преимущества: простота использования и доступа в интернет, динамическая справочная система, высокая производительность и надежность, веб-совместимый интерфейс пользователя, возможность одновременного доступа в интернет с нескольких компьютеров через одно общее подключение. 2) UNIX – преимущества: простота, инструментальность, мобильность, эффективность. Недостатки: не поддерживается режим реального времени, слабая устойчивость к аппаратным сбоям, снижение эффективности при решении однотипных задач, слабо развиты средства взаимодействия и синхронизации. 3) Linux – бесплатная и стандартизированная система. Преимущества: более мощная и гибкая, чем DOS и Windows, некоммерческая операционная система, распространяется по генеральной открытой лицензии GNU. 4)Apple Mac OS X – позволяет настраивать интерфейс, использование стандарта PDF? Обеспечивающий высокую четкость изображения, способность обеспечить безопасность, сохранить конфиденциальность.


Похожая информация.


Операционная система компьютера

Операционной системой называется комплекс программных средств, обеспечивающих функционирование отдельных устройств компьютера и их взаимодействие, а также взаимодействие устройств компьютера и прикладных программ. Следует отметить, что современные компьютеры конструируются в расчете на то, что они будут работать под управлением какой-нибудь операционной системы. Операционная система обеспечивает работоспособность компьютера и создает ту среду, в которой функционируют компьютерные программы. Кроме того, при включении компьютера в локальную сеть операционная система может выполнять часть сетевых функций.

Исторически операционная система появилась как комплекс программ, освобождающих программистов от программирования типовых операций, повторяющихся от программы к программе. Элементарные операции для работы с устройствами компьюте­ра и для управления ресурсами компьютера - это операции низкого уровня. В при­кладных программах их всегда бывает очень много, и в разных программах они по своей сути одинаковые. Как только вычислительные машины и программы для них достигли определенного уровня производительности, дальнейший прогресс в программировании стал невозможен без унификации всех стандартных операций при работе с отдельными устройствами компьютера.

Первые операционные системы представляли собой единый интегрированный комплекс служебных программ, обеспечивающий взаимодействие пользовательских программ с различными элементами компьютера и пригодный для широкого класса компьютеров. Постепенно на операционную систему был возложен ряд функций по управлению процессами, происходящими в компьютере. Постепенно круг этих функций расширялся, пока сформировался современный взгляд на предназначение и функции операционной системы.

Современные операционные системы обеспечивают:

¨ установку операционной системы на компьютере;

¨ включение и исключение функциональных компонент в составе ОС;

¨ настройку параметров операционной системы;

¨ загрузку операционной системы при включении компьютера;

¨ тестирование устройств компьютера и функциональных подсистем ОС и исправление возможных нарушений;

¨ автоматическое определение текущей конфигурации устройств компьютера (Plug And Play);

¨ управление памятью;

¨ управление выполнением программ;

¨ управление вводом-выводом;

¨ управление файловой системой;

¨ обработку прерываний;

¨ управление работой аппаратных устройств компьютера;

¨ взаимодействие с ОС пользователей и программ (пользовательский интерфейс ОС);

¨ многозадачный режим;



¨ многопользовательский режим;

¨ разделение между программами ресурсов компьютера (оперативной памяти, времени процессора, внешней памяти, периферийных устройств и др.);

¨ корректность совместного владения данными несколькими программами или пользователями;

¨ безопасность функционирования компьютера: защита памяти, используемой одной программой или пользователем, от использования другой программой или пользователем.

Первые вычислительные машины были устроены таким образом, что на них могла работать одновременно только одна программа, которая всегда загружалась c начального адреса оперативной памяти. Например, одна из лучших ламповых машин БЭСМ-2 имела около 4 тыс. ячеек оперативной памяти для команд и чисел. С ростом оперативной памяти в нее стало возможным поместить одновременно несколько программ. Это позволило сэкономить время на ввод программ в оперативную память, так как стало возможно совместить его с работой процессора. Такая технология позволила в десятки раз повысить эффективность использования очень дорогого тогда времени компьютера. Однако параллельно возникла задача обеспечения взаимодействия программ, одновременно находящихся в оперативной памяти, и задача распределения участков оперативной памяти между программами. Эти функции, называемые управлением выполнением программ и управлением памятью, являются основными функциями операционной системы, без которых работа компьютера невозможна.

Скорость обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами во много раз меньше скорости работы процессора. Поэтому оптимальное использование ресурсов компьютера возможно только тогда, когда операции обмена информацией с внешними устройствами не приостанавливают работу процессора. С другой стороны, операции ввода-вывода многочисленны, но стандартны и мало отличаются от программы к программе. Например, ввод информации предполагает наличие многих типовых действий, кроме собственно ввода. В частности, необходимо:

¨ определить номер порта ввода-вывода, соответствующего устройству;

¨ проверить физическое наличие устройства;

¨ установить, включено или выключено требуемое устройство;

¨ проверить, установлен ли на этом устройстве носитель информации (например, магнитный диск);

¨ сверить код носителя информации;

¨ найти место требуемой информации на носителе;

¨ подготовить считывающее устройство для считывания требуемой информации (например, установить магнитную головку над дорожкой диска);

И только после этого начинается непосредственный обмен данными оперативной памяти с внешним устройством. При этом надо еще отслеживать возможные повреждения на поверхности диска или сбои при чтении информации с магнитной поверхности диска. Каждая ошибка на этапе ввода или вывода должна обрабатываться определенным образом.

Все подобные операции входят в состав подсистемы управления вводом-выводом. Если в некоторой пользовательской программе нужно задать операцию ввода или вывода данных на внешний носитель, то вместо прописывания всех необходимых для этого действий в программу вставляется обращение к соответствующей подпрограмме операционной системы. Конкретные детали действий передаются вызываемой подсистеме в качестве дополнительных параметров. Операционная система выполняет нужные действия, после чего осуществляется возврат к пользовательской программе.

Проблема структурной организации наборов данных, хранящихся на внешних носителях компьютера, возникла тогда, когда емкость внешних носителей настолько увеличилась, что нахождение наборов данных стало серьезной проблемой (как поиск нужной книги в библиотеке – это совершенно другая задача по сравнению с поиском книги в домашнем шкафу). Файловой системой называется способ организованного хранения наборов данных на внешнем носителе и одновременно конкретные наборы данных на конкретном носителе. Операционная система умеет распознавать и читать файловую систему внешнего устройства компьютера. Функция поддержки файловой системы в работоспособном состоянии называется управлением файловой системой.

В случае сбоев при выполнении программы или процедуры ввода-вывода операционная система берет на себя решение о дальнейших действиях. Для этого она прерывает выполнение текущей программы и пытается проанализировать произошедшую ошибку. В зависимости от характера ошибки работа пользовательской программы либо продолжается, либо аварийно заканчивается.

В современных компьютерах реакция на непредвиденные ситуации частично предусмотрена уже конструкцией компьютера. Процессор компьютера реагирует на сигналы прерывания, которые передаются по шине прерывания при ошибках при выполнении команд программы, при ошибках ввода-вывода и в других исключительных ситуациях. Номер прерывания передается вместе с сигналом прерывания. При получении сигнала прерывания операционная система, пользуясь номером прерывания, выбирает одну из стандартных реакций на ошибку. Эта функция операционной системы называется обработкой прерываний.

Дальнейшее развитие техники инициировало появление новых групп функций операционной системы. Появление клавиатуры для ручного ввода информации в компьютер привело к включению в состав операционной системы программ, осуществляющих обработку сигналов от клавиатуры и их предварительную расшифровку. С появлением мониторов для удобного представления промежуточных и окончательных результатов работы программ связано включение в операционную систему функций управления вывода на экран дисплея текстовой и графической информации.

Еще одной типовой функцией при работе на компьютере служит управление различными внешними устройствами (винчестерами, гибкими дисками, мониторами, клавиатурой и т.д.). Эти устройства выпускаются самыми различными фирмами. Одинаковые по назначению устройства могут иметь различные характеристики и управляться совершенно разным способом. Для управления внешним устройством марки определенной фирмы требуется своя специальная программа, которая называется драйвером устройства. Существуют драйверы принтеров, драйверы дисководов, драйверы мыши и т.д. Если компьютер комплектуется определенным набором внешних устройств каких-то марок, то одновременно его программное обеспечение должно включать соответствующие драйверы. Современные операционные системы включают большой набор разнообразных типовых драйверов. Более того, они умеют при включении компьютера автоматически определять тип используемого устройства и подключать к работе соответствующий драйвер (эта услуга называется Plug and Play). Естественно, это возможно только в случае, если устройство «умеет» отвечать на вопрос о своей марке (основные производители компьютерной техники эту услугу предусматривают).

Все современные операционные системы (например, UNIX или Windows NT) обеспечивают многозадачный (одновременное выполнение нескольких программ) и многопользовательский (одновременная работа нескольких пользователей) режимы работы компьютера. Многозадачный режим означает одновременную работу на компьютере нескольких программ. Конечно, если компьютер содержит один центральный процессор, он может выполнять только одну программу. Однако операционная система так организует работу компьютера, что создается иллюзия одновременной работы нескольких программ.

Многозадачный режим работы компьютера требует от операционной системы обеспечения следующих возможностей:

¨ параллельного (псевдопараллельного) выполнения нескольких программ;

¨ постановки заданий (то есть программ) в очередь на выполнение;

¨ разделение между программами ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам.

Многопользовательский режим работы вычислительной системы (в частности, одного компьютера) предполагает работу с данными нескольких пользователей. При многопользовательском режиме дополнительно должно выполняться:

¨ разделение ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам в соответствии с запросами и приоритетами пользователей;

¨ защиту данных одного пользователя от доступа со стороны других пользователей.

Режимом разделения времени называется такая организация многозадачной и многопользовательской работы программ на одном компьютере, при которой каждой программе в зависимости от приоритета выделяется квант времени, в течение которого работает только эта программа. При этом постоянно в оперативной памяти компьютера находится только небольшая часть программы, а основная ее часть загружается на время выполнения программы и выгружается (освобождается) после окончания выделенного программе кванта времени.

Часто используется такой вариант работы, когда на компьютере работает одна основная (как правило, интерактивная) программа, которая часто находится в режиме ожидания, и другая (вычислительная) программа, требующая большого количества времени процессора или внешних устройств. Когда первая программа ждет, вторая работает, когда первая программа начинает работать, вторая останавливается. В таком случае говорят, что вторая программа работает в фоновом режиме.

Все взаимодействие с операционной системой идет через запросы пользователя или прикладной программы к операционной системе и вывод результатов выполнения запроса в текстовой или графической форме. Способ, которым это взаимодействие организовано, называется пользовательским интерфейсом операционной системы. Например, в системе MS DOS запросы к ОС формулируются в форме текстовых команд, а ответы – в форме текстовых сообщений. В системе Windows управлять операционной системой можно путем манипулирования различными графическими компонентами изображения текущего состояния исполняемых программ в форме оконных бланков. Принято различать текстовой и графический пользовательский интерфейс.

Операционные системы очень сильно эволюционировали с момента своего возникновения. Вначале эксплуатировались несколько вариантов операционной системы на вычислительных машинах различных фирм. В силу ряда причин к середине 70-х годов в большинстве компьютеров использовалась система машинных команд и операционная система компании IBM, названная дисковой операционной системой (DOS). Эта же фирма была одним из пионеров в разработке персональных компьютеров. Те модели персональных компьютеров, которые позаимствовали архитектуру и систему команд фирмы IBM, стали называться IBM PC-совместимыми компьютерами. На основе операционной системы DOS для таких компьютеров были разработаны несколько операционных систем. В дальнейшем практически все PC-совместимые персональные компьютеры стали обслуживаться операционной системой компании MicroSoft, называемой MS DOS. С течением времени появлялись новые версии MS DOS, включающие все новые и новые услуги, однако в целом концепция операционной системы этой фирмы осталась неизменной.

Одновременно создавались другие операционные системы. Некоторые не имели широкого распространения, другие создавались как коммерческие продукты. Однако возможности их были примерно одинаковыми, поскольку они определялись требованиями современной им техники и технологии. Совершенствование операционных систем шло по нескольким направлениям. Во-первых, одним из главных недостатков прежних систем являлись неудобный для рядового пользователя-непрофессионала пользовательский интерфейс. Для управления ими пользователь должен был вводить с клавиатуры закодированные текстовые сообщения. Частично эта трудность для персонального компьютера была снята за счет использования замечательной программной надстройки над MS DOS – программы Norton Commander, которая позволяла моделировать основные запросы к операционной системе MS DOS, манипулируя клавишами и различного рода меню, показываемыми на экране. В более современных версиях операционных систем дружественный пользователю интерфейс стал непосредственной частью самой системы.

Наиболее удачно интерфейс взаимодействия с ОС был реализован в компьютерах системы Macintosh. Постепенно заложенные там идеи стали стандартом для всех программ, работающих в интерактивном режиме (то есть в режиме общения с пользователем в реальном времени). В итоге для PC-совместимых персональных компьютеров была сконструирована и приобрела всеобщее распространение операционная система Windows со своим многооконным интерфейсом.

Наиболее важным следствием использования операционных систем при работе компьютера явилось то, что, поскольку типовые операции прикладной программы выполняют утилиты ОС, то и программа может работать только с той операционной системой, на которую она ориентирована. Зато программы стала сравнительно независимы от компьютера, необходимо лишь, чтобы на нем работала нужная ОС. Этот факт сильно расширил круг производителей компьютеров, что не могло не оказать положительного воздействия на прогресс в этой области. Программисты стали ориентироваться не на модель компьютера, а на операционную систему. В частности, было создано огромное количество DOS-программ.

Второе направление развития операционных систем – включение непосредственно в состав операционной системы новых услуг. Основой системы Windows стала стандартизация общения программ с внешними устройствами компьютера и стандартизация взаимодействия программ друг с другом.

Система Windows в качестве составной части содержит специальную программу - Диспетчер Печати, который берет на себя все функции по выводу на принтер текстовой и графической информации. Любая программа, желающая вывести на печать некоторую информацию, просто передает ее в буфер Диспетчера Печати вместе с параметрами вывода (например, количеством копий). После этого программа может работать дальше, а выводом на принтер будет заниматься Диспетчер Печати. Частью проблемы печати является проблема шрифтов, которая касается также вывода текстовой информации на экран монитора. В Windows поддержка шрифтов для принтера и монитора является функцией системы. Для смены шрифта при печати информации от пользовательской программы требуется только указать название шрифта и некоторые его характеристики (размер и спецэффекты), остальное сделает Диспетчер Печати (то же при выводе на экран).

Современные операционные системы основаны на концепции виртуальной машины. Виртуальной машиной называется абстрактная машина с улучшенными характеристиками оперативной памяти (называемой виртуальной памятью) и неограниченным количеством внешних устройств, обеспечивающая абсолютную безопасность данных разных программ. Прикладные системы ориентированы на такую идеальную виртуальную машину, а в задачу операционной системы входит такая организация работы реального компьютера, при которой с точки зрения прикладной программы он выглядит как виртуальная машина. Реализация виртуальной машины с помощью средств операционной системы называется эмуляцией виртуальной машины.

Возникновение вычислительных сетей привело к появлению нового класса типовых задач. Для обеспечения сетевой связи между персональными компьютерами стали использоваться сетевые оболочки (например, система NetWare фирмы Novell). Сетевые оболочки, хотя их часто называют операционными системами, не являются полнофункциональными операционными системами, так как предполагают, что на каждом отдельном компьютере функционирует своя операционная система. Функции сетевой оболочки выполняются сетевыми модулями, которые функционируют на компьютерах сети. С точки зрения ОС отдельного компьютера эти сетевые модули являются прикладными программами. Сетевая оболочка берет на себя все функции обеспечения процесса передачи данных между компьютерами с помощью следующего приема: для пользователя одного компьютера данные на другом компьютере представляются как еще один внешний носитель информации (диск) данного компьютера. При попытке прочитать в оперативную память файл этого диска (данные или программу) операционная система обратится к сетевому модулю, а подпрограммы, входящие в Novell, обеспечат правильную передачу данных с одного компьютера на другой.

Очередным шагом в развитии операционных систем явилось включение в операционные системы сетевых функций. К таким сетевым операционным системам относятся, например, операционная система Windows NT и различные версии UNIX. Эти системы обеспечивают как работу отдельного компьютера, так и работу в сети. При этом на них возлагается множество дополнительных сетевых функций. Это действия, связанные с установлением связи между узлами сети и с передачей данных в сети. Однако частично изменяются и рассмотренные выше функции операционной системы. Прежде всего это относится к файловой системе. При использовании сетевых ОС файловое пространство сети единое, хотя разные диски физически располагаются на разных носителях разных компьютеров. Пользователь может совершать с файлами те же операции, которые он совершает с файлами отдельного компьютера, не заботясь о том, что фактически при этом происходит перемещение информации с одного компьютера на другой.

Сетевые ОС всегда являются многопользовательскими. При этом приходится следить за тем, кто запустил конкретную программу и кто пользуется открытым в системе файлом. Важной функцией сетевой операционной системы является обеспечение доступа пользователей к данным и программам. Эта функция имеет два аспекта: проверка уровня секретности данных и проверка привилегий пользователя. Сетевая система имеет механизм кодирования уровня доступа к данным и кодирования привилегий пользователя таким образом, что всегда можно определить, имеет ли данный пользователь доступ к данному диску, каталогу или отдельному файлу. Кроме того, используются различные системы паролей, которые обеспечивают доступ к данным только того пользователя, который является владельцем этих данных, или которому разрешено использовать эти данные полностью или ограниченным образом (например, только для чтения).

Часть самых существенных функций операционной системы более подробно будет рассмотрена в следующих параграфах.