I. Назначение и основные функции операционных систем
Операционная система — это главный компонент любого компьютера или мобильного устройства. Она отвечает за управление всеми программами и ресурсами устройства, такими как процессор, память, хранение данных и многие другие. Примерами операционных систем являются Windows, Mac OS, Linux, Android и iOS.
Операционные системы имеют несколько основных принципов, которые обеспечивают их правильную работу.
Первый принцип:
Управление ресурсами. ОС отвечает за распределение ресурсов между программами и процессами, использующими компьютер. Контрольные механизмы ОС могут перенаправлять вычислительные мощности на более важные задачи или убирать процессы, которые замедляют систему в целом. Любая попытка программы занять больше ресурсов, чем ему положено, будет пресечена ОС.
Второй принцип:
Поддержка программного обеспечения. ОС обеспечивает выполнение программного кода. Каждая программа, запущенная в ОС, использует системные ресурсы и вызывает функции ОС для выполнения своих задач. Программы могут быстро и эффективно работать в разных операционных системах благодаря общим API (программным интерфейсам приложений), которые определяют базовые команды и возможности ОС.
Третий принцип:
Управление файлами и папками. ОС управляет файлами на жестком диске (или на флэш‑накопителе в случае с мобильными устройствами), папками и всеми другими важными типами данных. Она обеспечивает пользователей специальными механизмами доступа, настроенными в соответствии с правами доступа.
Например, при запуске браузера, ОС не только выделяет ресурсы и оперативную память, и не только управляет графическим интерфейсом устройства, но и предоставляет приложению доступ к сети, диску, периферийным устройствам и другим важным ресурсам в соответствии с допуском программного обеспечения. ОС обеспечивает безопасную работу с файловой системой, что уменьшает вероятность потери данных, и контролирует доступ к системным ресурсам, что обеспечивает безопасность в целом.
II. Основные компоненты операционных систем
Первый компонент — это ядро операционной системы. Ядро операционной системы — это самая низкоуровневая часть программного обеспечения, которая представляет собой основу ОС и является связующим звеном между аппаратным и программным обеспечением компьютера. Ядро выполняет множество сложных задач, обеспечивая работоспособность ОС и управляя ресурсами компьютера. Вот основные компоненты, из которых состоит ядро ОС:
Менеджер памяти. Это модуль, который управляет выделением и освобождением памяти и определяет, какая часть памяти может быть доступна каждому процессу.
Планировщик задач. Этот компонент обеспечивает распределение процессорного времени между запущенными процессами, управляет приоритетами и временными интервалами выполнения процессов.
Драйверы устройств. Каждое устройство в компьютере должно иметь драйвер, который обеспечивает связь между устройством и ОС. Ядро ОС содержит драйверы устройств, которые обеспечивают работу компьютера с различными устройствами.
Системные вызовы. Эти функции предоставляют пользователю возможность взаимодействовать с системой и выполнить операции, которые требуют доступа к ресурсам ОС, таким как файлы, сетевые соединения и т. д.
Модуль безопасности. В ядре ОС также содержится модуль безопасности, который обеспечивает контроль доступа пользователей к ресурсам компьютера и защищает от вредоносных программ.
Управление процессами и потоками. Ядро ОС управляет запущенными процессами и потоками, позволяя им выполняться параллельно и обеспечивая координацию и синхронизацию между ними.
Управление файловой системой. Ядро ОС также обеспечивает работу с файловой системой, включая чтение и запись данных на диски, управление файлами и каталогами и т. д.
В целом, ядро операционной системы является важнейшей частью программного обеспечения компьютера, которая обеспечивает работоспособность ОС и контролирует доступ пользователя к ресурсам компьютера.
Драйверы устройств — это специальные программы, которые позволяют операционной системе взаимодействовать с устройствами компьютера. Компьютер состоит из множества разных устройств: это монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер и так далее. Каждое устройство имеет свои специфические характеристики и параметры, поэтому операционной системе необходимо иметь специальные драйверы для каждого устройства. Без драйверов некоторые устройства могут не работать или работать некорректно.
Задачи и процессы — это компоненты операционной системы, которые отвечают за управление запущенными программами и процессами. Задачами называются программы, которые запущены в операционной системе и выполняют некоторые задания. Процессы — это отдельные задачи, которые выполняются в рамках запущенной программы. Например, если вы открыли браузер и в нём открыли несколько вкладок с разными сайтами, то операционная система будет управлять каждым процессом отдельно.
Сетевые протоколы — это компоненты
операционной системы, которые отвечают
за передачу данных в компьютерной сети.
Когда ваш компьютер подключен к сети,
то каждый пакет данных, который
отправляется или принимается, проходит
через сетевые протоколы.
Рис. 1. Состав ОС
Базовая система ввода-вывода (BIOS) – это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.
Функции BIOS:
Первая функция BIOS – автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и / или выдается звуковой сигнал.
Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске (эта операция выполняется сразу по окончании тестирования). Загрузив в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.
Еще одна важная функция BIOS – обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.
Загрузчик операционной системы – это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.
III. Место операционной системы в структуре программного обеспечения
Операционная система занимает центральное место в структуре программного обеспечения компьютера. Она является основным программным компонентом, который управляет всеми аспектами работы компьютера, включая управление ресурсами, выполнение прикладных программ, обеспечение безопасности и защиты данных, а также обеспечение взаимодействия между аппаратным обеспечением и программами.
В структуре программного обеспечения компьютера операционная система располагается между аппаратным обеспечением (железом) и прикладными программами. Она служит связующим звеном между аппаратным обеспечением и пользователями, обеспечивая работу всех программ и устройств в единой среде. Операционная система также предоставляет пользовательский интерфейс для взаимодействия с компьютером, что делает ее ключевым элементом в структуре программного обеспечения.
Рис. 2. Место ОС в структуре ПО
Рис. 3. ОС превращает уродливое аппаратное обеспечение в красивые абстракции
Самый нижний уровень содержит различные устройства компьютера, состоящие из микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т. п. Этот уровень можно разделить на подуровни, например контроллеры устройств, а затем сами устройства. Возможно деление и на большее число уровней.
Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются как отдельные функциональные единицы.
На микроархитектурном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (их может быть несколько) и арифметико-логические устройства со средствами управления ими. На этом уровне реализуется выполнение машинных команд. В процессе выполнения команд используются регистры процессора и устройств, а также другие возможности аппаратуры.
Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA (Instruction Set Architecture - архитектура системы команд), часто называемый машинном языком.
IV. 5 поколений компьютеров и ос
1. Первое поколение компьютеров (1940-1956 гг.): Операционная система отсутствовала, программа управления железом была написана на языке машинных команд.
Процессор компьютера не способен понимать напрямую языки программирования, такие как C++, С#, Java, Kotlin, Python и т.д. Очень ограниченный набор инструкций, которые изначально понимает процессор, называется машинным кодом (или «машинным языком»).
Например, сложение регистров 1 и 2 и помещение результата в регистр 6 кодируется следующим образом:
000000 00001 00010 00110 00000 10000
Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.
Рис. 4. Первое поколение компьютеров
2. Второе поколение компьютеров (1956-1963 гг.):
Операционные системы начали развиваться, появились примитивные операционные системы, такие как GM-NAA I/O для IBM 7090. Операционная система GM-NAA I/O была написана на Assembler. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня — Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.
Операционные системы второго поколения компьютеров были написаны на языке ассемблера или низкоуровневых языках программирования, таких как язык машинных команд. Также для разработки операционных систем использовались инструменты и компиляторы, специально созданные для данной цели.
Рис. 5. IBM 7090
Пример кода на языке Fortran, где человек вводит 2 числа и программа складывает их и выводит на экран:
program addition
implicit none
integer :: num1, num2, sum
! Запрос ввода первого числа
print *, "Введите первое число:"
read(*, *) num1
! Запрос ввода второго числа
print *, "Введите второе число:"
read(*, *) num2
! Сложение двух чисел
sum = num1 + num2
! Вывод результата на экран
print *, "Сумма чисел ", num1, " и ", num2, " равна ", sum
end program addition
Пример кода на языке Algol, где человек вводит 2 числа и программа складывает их и выводит на экран:
BEGIN
INTEGER num1, num2, sum;
! Запрос ввода первого числа
WRITEF("Введите первое число: ");
READ(num1);
! Запрос ввода второго числа
WRITEF("Введите второе число: ");
READ(num2);
! Сложение двух чисел
sum := num1 + num2;
! Вывод результата на экран
WRITEF("Сумма чисел ", num1, " и ", num2, " равна ", sum);
END.
Пример кода на языке Cobol, где человек вводит 2 числа и программа складывает их и выводит на экран:
IDENTIFICATION DIVISION.
PROGRAM-ID. AdditionProgram.
DATA DIVISION.
WORKING-STORAGE SECTION.
01 num1 PIC 9(5).
01 num2 PIC 9(5).
01 sum PIC 9(6).
01 input-message PIC X(30) VALUE "Введите первое число: ".
01 output-message PIC X(40) VALUE "Сумма чисел равна: ".
PROCEDURE DIVISION.
DISPLAY input-message.
ACCEPT num1.
DISPLAY "Введите второе число: ".
ACCEPT num2.
COMPUTE sum = num1 + num2.
DISPLAY output-message, sum.
STOP RUN.
Вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны — прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.