23. Операционные системы.

Операционная система (ОС) - комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а также предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.

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

Разработчикам ПО ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций. ОС скрывает от приложений как возможности и особенности программного управления устройствами, так и их конкретные модели. Т.е. позволяет работать с абстрактными устройствами (объектами): сетевая, звуковая и видеокарты, жесткий диск. ОС создает объекты, не являющиеся интерфейсом к аппаратным ресурсам: файловая система, объекты синхронизации для многопоточных программ и т.п. Ряд ОС имеют компоненты, предоставляющие расширенные функции, полезные для прикладного ПО (например, подсистема окружения Win32 в Windows).

В большинстве вычислительных систем ОС является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными ОС являются системы семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX.

Основные функции операционных систем:

– Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

– Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

– Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

– Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

– Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

– Обеспечение пользовательского интерфейса.

– Сохранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

– Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

– Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

– Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

– Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

– Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

– Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

– Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

Компоненты операционной системы

– Загрузчик. – Ядро. – Командный процессор (интерпретатор). – Драйверы устройств. – Интерфейс.

Понятие операционной системы. Существуют две группы определений ОС: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется ОС. Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях, простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

– использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),

– многопользовательские (с разделением полномочий),

– многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой ОС. В составе ОС различают 3 группы компонентов:

– ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

– системные библиотеки;

– оболочка с утилитами.

Ядро - центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основные ресурсы: процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра.

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

Объекты ядра ОС:

– Процессы. – Файлы. – События. – Потоки. – Семафоры. – Мьютексы. – Каналы.

Процесс (process) – выполняющаяся программа.

Поток (thread) – сущность внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения.

Файл – логический объект, позволяющий рассматривать информацию, сохраняемую на носителе, как единое целое.

Файл как объект обладает:

– именем; – типом; – структурой; – атрибутами.

Семафор (semaphore) – специальный объект, позволяющий блокировать или активировать процесс, обратившийся к нему.

Мьютекс (mutex – от mutual exclusion) – особый вид двоичных семафоров, допускающий право владения. Двоичный семафор имеет два состояния – занят и свободен (signaled). У свободного мьютекса счетчик не растет и первое обращение wait «захватывает» мьютекс. Процесс при этом называется владельцем.