4.1.1. Операционные системы

Операционная система (ОС) – комплекс программ, организующих вычислительный процесс в вычислительной системе.

Вычислительная система – совокупность аппаратных и программных средств ЭВМ, взаимодействующих для решения задач обработки информации.

Операционная система выступает, с одной стороны, как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой — предназначена для наиболее эффективного использования ресур­сов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно рабо­тает под управлением ОС.

Основные функции, которые выполняет ОС, следующие:

 прием от пользователя заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке — в виде директив (ко­манд) оператора или в виде указаний (своеобразных команд) с помощью соответствующего манипулятора (например, с помощью мыши), — и их обработка;

 прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, оста­новку других программ;

 загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

 инициация программы (передача ей управления, в результате чего процес­сор исполняет программу);

 идентификация всех программ и данных;

 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 выполнение двух или более программ на одном процессоре, создающее видимость их одно­временного исполнения;

 обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями ввода/вывода;

 распределение памяти;

 планирование и диспетчеризация задач;

 обеспечение сохранности данных;

 обеспечение работы систем программирования, с помощью которых поль­зователи готовят свои программы и др.

Проведем классификацию операционных систем.

Прежде всего, различают ОС общего и специального назначения. ОС специаль­ного назначения, в свою очередь, подразделяются на следующие: для переноси­мых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т. п.

По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный режимы. Под мультипрограммированием понимается спо­соб организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной сис­теме создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода/вывода данных) используется для выполнения других (таких же, либо ме­нее важных) программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме.

Мультипрограммный и мультизадачный режимы — это не синонимы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие в этих терминах заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает па­раллельное выполнение нескольких приложений и при этом программисты, соз­дающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной работы. Эти функции берет на себя сама ОС; именно она распре­деляет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной систе­мы, осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие. Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном вы­полнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных про­граммистов.

При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме мож­но говорить об однопользовательских (однотерминальных) и многопользовательских (мультитерминальных) ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одно­временно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется своя собственная вычислительная система. В качестве одного из примеров мультитерминаль­ных ОС для ПК можно назвать Linux.

Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) явля­ется обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интерва­лов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не явля­ется планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования событий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В ОС, непред­назначенных для решения задач реального времени, имеются некоторые наклад­ные расходы процессорного времени на этапе инициирования (при выполнении которого ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своей задачи, загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходимые для ее выполнения ресурсы). В ОСРВ подобные затраты могут от­сутствовать, так как набор задач обычно фиксирован и вся информация о зада­чах известна еще до поступления запросов.

Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация муль­типрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения за­дач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мультитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для ПК является ОС QNX.

В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функциони­ровании ЭВМ. Такие программы называют резидентными. К резидентным относят также и программы-драйверы, управляющие работой периферийных устройств.

Драйверы – программы, предназначенные для обслуживания периферийных устройств, обычно загружаются в оперативную память при запуске компьютера. Они расширяют возможности операционных систем по управлению устройствами ввода-вывода компьютера (клавиатурой, жестким диском, мышью и т.д.), оперативной памятью и т.д. С помощью драй­веров возможно подключение к компьютеру новых устройств или не­стандартное использование имеющихся устройств. Важной частью ОС является командный процессор – программа, отвечающая за интерпретацию и исполнение простейших команд, подаваемых пользователем, и его взаимодействие с ядром ОС.

По основному архитектурному принципу ОС разделяются на микроядерные и монолитные. В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОС привести ОСРВ QNX, тогда как в качестве монолитной можно назвать Windows 95/98. Ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам не доступны его исходные коды и у нас нет программы для сборки (компиляции) этого ядра. А вот в случае с Linux мы можем сами собрать ядро, которое нам необходимо, включив в него те необходимые про­граммные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (а не обращаться к ним из ядра).

Как правило, все совре­менные ОС включают в себя соответствующие системы управления файлами. Назначение системы управления файлами — организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Именно благодаря системе управления файлами вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логиче­ский доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Всем известная файловая система FAT (file allocation table) имеет множество реализаций как система управления файлами, напри­мер FAT-16 для MS-DOS, super-FAT для OS/2, FAT для Windows NT и т. д. Другими словами, для работы с файлами, организованными в соответ­ствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разра­ботана соответствующая система управления файлами; и эта система управ­ления файлами будет работать только в той ОС, для которой она и создана.

Ряд ОС позволяет рабо­тать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (дополнительную систему управления файлами можно установить). Кроме того, можно назвать примеры простейших ОС, которые могут работать и без файловых систем, а значит, им необязательно иметь систему управления файлами.