5. Системное программное обеспечение
5.1. Понятие об операционной системе
Операционная система (ОС) – комплекс программ, обеспечивающих поддержку работы, аппаратных средств ЭВМ, сетей и всех программ.
При включении питания компьютера в первую очередь в ОЗУ загружается операционная система, под управлением которой происходит проверка работоспособности и вся последующая работа ЭВМ. Завершается работа также под управлением ОС.
Программы, написанные для решения практических задач, называют прикладными. Системными называют программы, которые осуществляют организацию вычислительного процесса и управление ресурсами ЭВМ. ОС представляет собой комплекс взаимоувязанных и взаимодействующих системных программ.
Каждая системная программа выполняет свою определенную функцию. Так, системные программы – утилиты – предназначены для выполнения часто повторяющихся операций, например, форматирование магнитных дисков, дефрагментация дисков, архивация файлов, восстановление случайно удаленных файлов, поиск и удаление вирусов и т. д.
Драйверы – системные программы, обеспечивающие работу принтеров, дисководов, дисплеев, клавиатуры и т. п. Слово «драйвер» происходит от английского слова driver – шофер, водитель.
При выполнении на ЭВМ различных программ пользователю приходится многократно выполнять типичные операции, которые одинаковы для многих прикладных и системных программ. К таким операциям, в частности, относятся: запись, поиск, считывание, копирование, перемещение и удаление файлов.
Так, чтобы считать файл с жесткого диска, необходимо найти в таблице размещения файлов (FAT) его описание, определить, где он находится на жестком диске (цилиндр, дорожку, сектор), подвести считывающую головку к нужной позиции, считать данные в определенное место ОЗУ.
ОС стремится создать пользователю наиболее комфортные условия при выполнении подобных типичных, часто повторяемых операций. Если говорить образно, то операционная система – это слуга, который заботится об удобствах своего хозяина-пользователя.
Операционные системы классифицируются по:
количеству одновременно работающих пользователей на однопользовательские и многопользовательские ОС;
числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС, на однозадачные и многозадачные;
количеству используемых процессоров на однопроцессорные и многопроцессорные;
разрядности процессора на 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;
типу пользовательского интерфейса на командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);
способу использования общих аппаратных и программных ресурсов на сетевые и локальные.
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.
В многозадачном режиме каждой задаче (программе, приложению) поочередно выделяется какая-то доля процессорного времени. Поскольку процесс переключения идет очень быстро, а выделяемые задачам доли процессорного времени достаточно малы, то для пользователя создается впечатление одновременного выполнения сразу нескольких задач.
Можно одновременно запустить на счет математическую систему, включить принтер для печати текста, запустить проигрыватель музыкальных произведений, вести поиск вирусов и рисовать в графическом редакторе или раскладывать пасьянс. Заметить замедление работы можно будет, пожалуй, лишь по «притормаживанию» воспроизведения видео- и аудиофайлов на компьютерах с «медлительными» процессорами.
Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность.
При работе ЭВМ важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Распределение процессорного времени между несколькими одновременно выполняемыми программами может осуществляться двумя способами.
При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс.
При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой процесс принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:
системы пакетной обработки;
системы разделения времени;
системы реального времени.
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью систем пакетной обработки является решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования.
В начале работы формируется пакет заданий (мультипрограммная смесь). В мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом информации. Выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т. е. выбирается «выгодное» для ОС задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.
Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена ОС пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.
ОС разделения времени позволяют исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может управлять вычислительным процессом. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно малым, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же ЭВМ, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.
Операционные системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» операционной системе, и, кроме того, имеются накладные расходы на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность ЭВМ (скорость обработки информации), а удобство и эффективность работы отдельного пользователя.
Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как конвейер, станок, робот, космический аппарат, научная экспериментальная установка, гальваническая линия, доменная печь, автомат для контроля качества выпускаемой продукции и т. п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом. Говорят так: «Система должна иметь гарантированное время реакции, т. е. задержка ответа не должна превышать определенного времени». В противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме, бракованные изделия попадут в приемник годной продукции.
Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).
Наибольшую известность получили следующие ОС: СР/М, MS-DOS, OS/2, Windows, UNIX и MacOS (для компьютеров Macintosh фирмы Apple).
В качестве примера однопользовательских однозадачных ОС можно назвать СР/М, MS-DOS, однопользовательских многозадачных – OS/2, Windows. Операционная система UNIX является многопользовательской многозадачной ОС. Операционная система РАФОС является многопользовательской однозадачной.
Современные ОС содержат множество системных программ и по этой причине часто занимают на диске больше места, чем прикладная программа, которая использует сервис, предоставляемый ОС.
Первоначальный успех ОС СР/М в значительной степени был обусловлен ее предельной простотой и компактностью. Первая версия занимала всего 4 Кбайта. Компактность была весьма важна в условиях ограниченных объемов памяти первых персональных ЭВМ (ПЭВМ). Данная ОС использовалась для работы на 8-разрядных ПЭВМ.
Операционная система MS-DOS является промышленным стандартом для 16-разрядных ЭВМ на основе микропроцессоров 8086...80486. Все программы MS-DOS хранятся на магнитных дисках, поэтому она называется дисковой операционной системой (Disk Operating System). Буквы MS являются сокращением названия фирмы-разработчика Microsoft. Было выпущено несколько модификаций этой ОС, поэтому можно говорить о целом семействе операционных систем MS-DOS.
В MS-DOS входят следующие основные модули (достаточно самостоятельные системные программы).
1. Базовая система ввода/вывода (БСВВ), которая осуществляет автоматический контроль работоспособности основных узлов ЭВМ при включении питания. БСВВ часто обозначается латинскими буквами BIOS, что является аббревиатурой аналогичного английского названия Basic Input/Output System.
В БСВВ размещаются программы (драйверы), управляющие работой стандартных устройств ЭВМ: дисплея, клавиатуры, жестких дисков, принтера.
2. Блок начальной загрузки, предназначенный для считывания с системного диска в ОЗУ остальных модулей MS-DOS.
3. Модуль расширения базовой системы ввода/вывода, который позволяет расширять функции, заложенные в BIOS. Модуль позволяет дополнить BIOS другими драйверами, предназначенными для работы с новыми устройствами. Подключение дополнительных драйверов внешних устройств осуществляется с помощью файлов config.sys и autoexec.bat.
4. Модуль обработки прерывания. Напомним, что прерыванием называется такой режим работы процессора, когда по запросу внешнего устройства кратковременно прекращается выполнение основной программы и происходит обслуживание внешнего устройства. По окончании обслуживания вновь продолжается выполнение основной программы.
5. Командный процессор – программа, которая размещается в файле command.com. Она осуществляет прием команд с клавиатуры, выполняет встроенные команды MS-DOS, загрузку и исполнение прикладных и системных программ, а также запуск файла autoexec.bat.
MS-DOS является командной (текстовой) ОС. Это означает, что для выполнения необходимых операций следует набрать с помощью клавиатуры соответствующую команду. Такой ввод неудобен и приводит к возникновению большого числа ошибок.
Для облегчения работы с помощью дисковой операционной системы разработаны графические надстройки, которые называются операционными оболочками. Наибольшей популярностью в России пользуются Norton Commander, DOS Navigator и Volkov Commander.
Семейство операционных систем OS/2 (Operating System/2) позволяет организовать параллельную работу нескольких прикладных программ. Операционная система работает в режиме вытесняющей многозадачности.
При этом система жестко выделяет определенное время для работы каждого приложения. Эта операционная система, разработанная фирмой IBM, является ближайшим конкурентом для ОС Windows, разработанной фирмой Microsoft. Достоинством операционных систем семейства Windows является унифицированный пользовательский интерфейс (оболочка), благодаря которому в различных программах сохраняются одинаковые принципы управления их работой. Эта ОС обеспечивает возможность выполнения одновременно нескольких задач.
При этом пользовательский интерфейс каждой программы размещается в отдельной прямоугольной области, которая называется окном. На рисунке показано три открытых окна. В первом окне размещена панель управления, во втором – проводник, а в третьем – текстовый редактор.
Окна можно перемещать по экрану, изменять размеры, накладывать друг на друга или уменьшать до размера графического значка (пиктограммы или ярлыка).
Унификация пользовательского интерфейса (оболочки) программ, работающих под управлением этой ОС, значительно упрощает освоение новых программ. Например, нажатие клавиши F1 вызывает помощь, а одновременное нажатие клавиш Alt и F4 приводит к завершению (закрытию) работы программы.
Назначение многих кнопок пользовательского интерфейса интуитивно понятно благодаря выразительному графическому обозначению. Заметим, что почти каждую операцию с помощью ОС Windows можно выполнить несколькими различными способами.
При создании операционной системы семейства Windows фирма Microsoft использовала объектно-ориентированный подход. На уровне пользователя объектно-ориентированный подход выражается в том, что интерфейс представляет собой подобие реального мира, а работа с ЭВМ сводится к действиям с обычными объектами. Так, папки можно открывать, закрывать, перемещать, убирать в портфель. Документы можно просматривать, исправлять, перекладывать с одного места на другое, уничтожать или выбрасывать в корзину.
В ОС Windows заложен принцип – WYSIWYG (What You See Is What You Get – что видите, то и получаете), за счет которого на принтере формируется такое же изображение, как и на экране дисплея. При работе в DOS вид текста на экране монитора и отпечатанного на принтере может оказаться разным. Это зависит от выбранного на принтере шрифта.
Другой удачный принцип – Plug and Play (вставь и играй, точнее, подключи и используй) позволяет без ручной настройки подключать новые устройства к ЭВМ, например, принтер или лазерный проигрыватель. Англоязычный термин Plug and Play по-русски произносится плаг энд плэй. ОС, поддерживающая этот принцип, автоматически подбирает драйвер, необходимый для работы нового подключенного к ЭВМ устройства.
В Windows используется технология Drag and Drop (перетащи и положи). Благодаря технологии Drag and Drop легко изменить положение любого окна и его размеры. Для удаления некоторого документа по этой технологии достаточно с помощью мыши взять пиктограмму (компактное графическое изображение приложения) и, перетащив, положить ее поверх мусорной корзины. Аналогично запускается музыкальное произведение: графическое изображение файла нужно положить поверх графического изображения проигрывателя.
На рисунке показаны три пиктограммы и три ярлыка (на ярлыках присутствует изображение стрелки). С помощью пиктограмм и ярлыков легко запускать программы на выполнение. Пиктограммы и ярлыки принято называть общим термином «значки».
В Windows можно составлять документы из частей, которые готовятся в различных приложениях. Для связывания и внедрения документов используется технология OLE (Object Linking and Embedding), что означает «связывание и внедрение объектов».
При работе в операционной системе Windows программы принято называть приложениями. В документ, подготовленный в текстовом редакторе, можно вставить рисунок, созданный в графическом редакторе. При этом достаточно дважды щелкнуть мышью по рисунку, чтобы вызвать графический редактор и сделать нужные исправления. Создается впечатление, что текстовый редактор снабжен дополнительными возможностями графического редактора.
Безусловно, уровень сервиса операционных систем семейства OS/2 и Windows значительно выше уровня MS-DOS. Однако за облегчение работы приходится платить большими затратами на аппаратное обеспечение: увеличивать объем ОЗУ, винчестера, повышать быстродействие процессора. Для установки Windows 2000 требуется 650 Мбайтов свободного пространства на жестком диске и ОЗУ объемом 32 – 128 Мбайтов.
Главными отличительными чертами ОС UNIX является ее модульность, легкая переносимость на другие типы ЭВМ и обширный набор системных программ, которые позволяют создать благоприятную обстановку для системных программистов, т. е. для тех специалистов, основной задачей которых является разработка новых системных программ. Данная ОС органически сочетается с языком Си, на котором написана основная часть модулей. Операционная система UNIX давно побила все рекорды долголетия.
Система была разработана в 1969 г. и быстро завоевала большую популярность, особенно среди телефонных компаний, поскольку обеспечивала работу в сети в режиме диалога и в реальном масштабе времени. Авторами UNIX являются Кен Томпсон (Ken Thompson) и Дэннис Ричи (Dennis M. Ritchie).
К началу 1984 г. система UNIX была уже инсталлирована (т. е. установлена) приблизительно на 100 000 машин по всему миру, причем на машинах разных изготовителей с широким диапазоном вычислительных возможностей – от микропроцессоров до больших ЭВМ.
Популярность и успех системы UNIX объясняется несколькими причинами:
– система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать, понимать, изменять и переносить на другие машины. По оценкам, сделанным Дэнисом Ричи, первый вариант операционной системы на языке Си имел на 20 – 40 % больший объем и работал медленнее по сравнению с вариантом на языке Ассемблера, однако преимущества использования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки;
– система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь может одновременно выполнять несколько процессов;
– архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен процесс написания программ, работающих при различных конфигурациях аппаратных средств.
Сетевые операционные системы предназначены для эффективного решения задач распределенной обработки данных. Такая обработка ведется не на отдельном компьютере, а на нескольких компьютерах, объединенных сетью. Сетевые операционные системы поддерживают распределенное выполнение процессов, их взаимодействие, обмен данными между ЭВМ, доступ пользователей к общим ресурсам и другие функции, которые превращают распределенную в пространстве систему в целостную многопользовательскую систему.
Все сетевые операционные системы делятся на две группы: одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами.
В одноранговых сетях каждая ЭВМ может выполнять как функции сервера, так и рабочей станции, а в сетях с выделенными серверами роли расписаны более жестко: рабочие станции не предоставляют свои ресурсы для других ЭВМ. Услуги предоставляют только серверы.
Перечислим несколько популярных сетевых операционных систем.
До недавнего времени наиболее широко используемыми были различные версии операционной системы Netware, разработанные фирмой Novell. Фирма Novell была основана в 1983 г. и является крупнейшим в мире поставщиком сетевого программного обеспечения.
К одноранговым операционным системам можно отнести NetWare Lite и Personal NetWare, а к ОС с выделенным сервером – NetWare 2.2, NetWare 3.12, NetWare 4.0 и NetWare 5.0.
Фирма Microsoft выпустила несколько версий сетевых операционных систем: Windows NT 3.51 и 4.0, Windows 2000.
Центральное место среди сетевых операционных систем занимает UNIX. Большая популярность пришла к UNIX в 1983 г., когда появилась версия 4.2BSD, имевшая сетевые средства TCP/IP, что позволяло использовать эту систему для работы в глобальной сети ARPANET.
Классическая ОС UNIX дала жизнь многочисленным своим потомкам, число которых превышает несколько десятков (AIX, SCO, HP-UX, IRIX, Solaris, Linux и др.).
Linux – свободно распространяемая версия операционной системы UNIX для платформ х86, Motorola 68k, Digital Alpha, Spare, Mips и Motorola PowerPC. В Linux не используется никаких частей программного обеспечения, принадлежащих каким-либо коммерческим организациям. По этой причине она получила достаточно широкое распространение.
Первая версия ОС Linux была разработана в 1991 г. Т. Линусом (Финляндия), а затем в ее разработке участвовало большое число людей из разных частей мира. Последние версии являются продуктами коллективного творчества большого числа программистов.
Корни практически всех ранних отечественных диалектов ОС UNIX ведут к UNIX V6.
В начале 80-х годов XX века начались работы в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (КИАЭ). В шутку диалект КИАЭ получил название УНАС (в противовес UNIX, т. е. УНИХ). В состав разработчиков входили Алексей Руднев, Валерий Бардин, Сергей Аншуков.
В 1982 – 1983 г.г. другой коллектив из Института прикладной кибернетики (ИПК) Минавтопрома стал заниматься иным диалектом – МНОС (машинно-независимая операционная система). Руководителем работ был Михаил Давидов, а костяк команды составили Вадим Антонов, Дмитрий Володин и Сергей Леонтьев.
Результатом объединения коллективов стало рождение ОС ДЕМОС (Диалоговой единой мобильной операционной системы), которая помимо отечественных аналогов вычислительной машины PDP-П (СМ-4, СМ-1420) была перенесена на ЕС ЭВМ и «Эльбрус». В 1987 г. был образован кооператив «Демос». Через пять лет, в 1992 г., коллектив разделился, и появились на свет известные сейчас компании «Релком» и «Демос».
Как и многое в мире бизнеса, развитие ОС идет в условиях острой конкуренции, и здесь можно выделить две наиболее мощные сетевые ОС: UNIX и Windows NT.
О динамике изменения спроса на операционные системы говорят следующие цифры. В 1997 г. продажи рабочих станций с установленной операционной системой Windows NT возросли на 80%, а продажи станций с ОС UNIX упали на 7 %.