37 Операционные системы.

Операционные системы занимают промежуточное место в иерархии аппаратно-программных средств компьютера (рис. 3.2). Самый нижний уровень занимают интегральные микросхемы, источники питания, дисководы и другие физические устройства. Выше, во втором слое, находятся внутренние регистры центрального процессора (ЦП), арифметико-логическое устройство (АЛУ). Они рассматриваются с точки зрения функционально-логических связей.

Рис. 3.2. Схема аппаратно-программных средств компьютера

Система команд компьютера образует машинный язык, имеющий от 50 до 300 команд. На этом языке осуществляется преобразование, модификация и перемещение данных между устройствами. Все эти действия выполняются весьма сложно, например, при программировании ввода/вывода диску нужно дать команду чтения, записав в его регистры адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения и направление действия (чтение или запись). В действительности передается еще несколько параметров чисто технического свойства.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности, избавив его от непосредственного общения с аппаратурой, предоставляя ему более удобную систему команд.

Над операционной системой в структуре аппаратно-программных средств находятся трансляторы, редакторы и т. п. Они не являются частью ОС.

Все программы ОС защищены от вмешательства пользователя аппаратными средствами. Некоторые программы ОС работают в пользовательском режиме. Это значит, что их функции влияют на работу системы (например, программы изменяющие пароли), однако и эти программы также защищены от воздействия пользователя.

Самый верхний слой схемы занимают прикладные программы. Это чисто пользовательские задачи, их состав может изменяться в широких пределах.

Операционные системы выполняют две основные функции — расширение возможностей машины и управление ее ресурсами. С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию виртуальной машины, с которой проще и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, т. е. представляет собой удобный интерфейс пользователя.

3.3. Виды операционных систем и их базовые понятия

Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества операционных систем. Самые сложные из них — это ОС для мэйнфреймов, которые ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода/вывода. Такие системы обычно выполняют три вида операций: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции, например, бронирование авиабилетов) и разделение времени. Примером операционной системы для мэйнфреймов является OS/390.

Уровнем ниже находятся серверные ОС, которые одновременно обслуживают множество пользователей и делят между ними программно-аппаратные ресурсы ЭВМ. Варианты серверных ОС с некоторыми специальными возможностями обслуживают многопроцессорные компьютерные системы. Система Windows 2000 является типичной серверной ОС.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Основные ОС в этой категории — Windows 98, Windows 2000, Linux.

Существует еще несколько типов ОС, например, системы реального времени. Эти системы управляют процессами, подчиненными жестким временным требованиям, например, технологическим. Встроенные операционные системы используются в карманных компьютерах и бытовой технике. Наконец, самые маленькие ОС работают в смарт-картах, управляя всего несколькими, а иногда всего одной операцией.

Базовыми понятиями операционных систем являются понятия процесса, памяти и файла. Процессом называют программу в момент ее выполнения. С каждым процессом связано его адресное пространство, т. е. список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Вся информация о процессе хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой связанный список структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс. Информация из таблицы процессов используется ОС для прерывания, остановки и повторного запуска какого-нибудь процесса.

Оперативная система управляет памятью ЭВМ. Если в памяти хранится несколько программ, то для того, чтобы они не мешали друг другу, необходим защитный механизм. Этот механизм управляется операционной системой. Кроме того ОС управляет адресным пространством процессов. Если адресное пространство какого-нибудь процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, то ОС хранит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами по мере необходимости. Эта функция — управление памятью процессов.

Вся информация хранится в файловой системе. Эта система виртуально поддерживается всеми ОС. При создании места для хранения файлов ОС использует понятие каталога, как способ объединения файлов в группы. Файлы и процессы сведены в иерархию в виде деревьев. Иерархия процессов обычно не очень глубока — два-три уровня, файловая же структура часто имеет пять и более уровней в глубину. Иерархия процессов живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.