Вопрос 2. Назначение, состав и функции операционных систем.

Можно выделить два доминирующих взгляда на понятие операционной системы:

а) ОС как расширенная машина есть комплекс программ, скрывающих истину об аппаратном обеспечении и предоставляющая простой список поименованных файлов, которые можно читать и записывать. Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчикам и, организацией памяти и другими элементами низкого уровня. В любом случае абстракция, предлагаемая ОС, намного проще и удобнее в обращении, чем то, что может предложить нам непосредственно основное оборудование на аппаратном уровне. Таким образом, ОС предоставляет нам ряд возможностей, которые могут использовать программы с помощью специальных команд, называемых системными вызовами.

Под системными вызовами (system calls) понимается интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых – процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной системы, осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур, которые загружают машинные регистры определенными параметрами и осуществляют прерывание процессора, после чего управление передается обработчику данного вызова, входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек – сделать системный вызов похожим на обычный вызов подпрограммы, что естественно ведет к облегчению программирования.

Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра (kernel mode). Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями, в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями.

В этом режиме работает код ядра операционной системы, причем исполняется он в адресном пространстве и в контексте вызвавшей его задачи. Таким образом, ядро операционной системы имеет полный доступ к памяти пользовательской программы, и при системном вызове достаточно передать адреса одной или нескольких областей памяти с параметрами вызова и адреса одной или нескольких областей памяти для результатов вызова.

В большинстве операционных систем системный вызов осуществляется командой программного прерывания (INT). Программное прерывание – это синхронное событие, которое может быть повторено при выполнении одного и того же программного кода.

б) ОС как менеджер ресурсов предоставляет организованное и контролируемое распределение процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными программами, состязающимися за право их использовать. Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве. Когда ресурс распределяется во времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Сначала один из них получает доступ к использованию ресурса, потом другой и т. д. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс – это задача ОС. Другой вид распределения - это пространственное мультиплексирование. Вместо поочередной работы каждая программа получает часть ресурсов. Обычно оперативная память разделяется между несколькими работающими программами, так что все они одновременно могут постоянно находиться в памяти. Таким образом, распределение памяти и дискового пространства и отслеживание того, кто какие адреса памяти и блоки диска использует, является типичной задачей управления ресурсами, которую также выполняет ОС.

Пользователь обращается к ОС посредством одного или нескольких пользовательских приложений, а также часто посредством специального приложения, называемого оболочкой (shell), или интерпретатором команд. Большинство современных оболочек реализованы в виде текстовых интерфейсов, позволяющих вводить команды с клавиатуры в командную строку, либо в виде графических интерфейсов пользователя (GUI) ориентированных на манипулирование с помощью указателя мыши графическими объектами. Совокупность программ, объединяющая основные компоненты ОС, называется ядром.

В большинстве ОС к этим компонентам относятся:

• Планировщик процессов (process scheduler), который определяет, когда и в течение какого периода времени процесс обрабатывается процессором.

• Диспетчер памяти (memory manager) который определяет, когда и каким образом память распределяется между процессами и что следует предпринять, если основной памяти недостаточно.

• Диспетчер ввода-вывода (i/o manager), который обслуживает запросы ввода-вывода данных при взаимодействии ОС с аппаратными устройствами.

• Диспетчер межпроцессорного взаимодействия (interprocess communication manager – IPC) осуществляет взаимодействие между процессами.

• Диспетчер файловой системы (file system manager), который упорядочивает поименованные объекты на запоминающих устройствах и предоставляет интерфейс для доступа к данным на них.

К основным свойствам ОС можно отнести следующие:

• Эффективность;

• Устойчивость;

• Масштабируемость;

• Расширяемость;

• Мобильность;

• Защищенность;

• Интерактивность.

Эффективная ОС (efficient OS) обладает высокой производительностью и малым средним значением времени обработки запросов.

Устойчивая ОС (robust OS) – это отказоустойчивая и надежная система, работающая без сбоев при ошибке отдельного приложения или компонента аппаратуры.

Масштабируемая ОС (scalable OS) – это система способная использовать ресурсы по мере их наращивания.

Расширяемая ОС (extensible OS) может адаптироваться к новым технологиям и обладает возможностью расширения для решения задач, изначально не предусмотренных при разработке данной ОС.

Мобильная ОС (portable OS) разрабатывается для функционирования на различных конфигурациях аппаратных средств.

Защищенная ОС (secure OS) препятствует пользователям и программному обеспечению в получении несанкционированного доступа к услугам и ресурсам. Средства защиты опираются на механизмы, которые реализуют политику безопасности системы.

Интерактивная ОС (interactive OS) позволяет приложениям быстро реагировать на действия пользователей и другие события в системе.