2 Системное по. Операционная система

Как было отмечено ранее, системное программное обеспечение (СПО) занимает особое место среди всей совокупности имеющихся программных продуктов. С его помощью происходит организация процесса функционирования ЭВМ, в том числе управление внешними устройствами. Кроме этого, в состав СПО входят программные средства, позволяющие сделать более удобной работу пользователя, обслуживать внешние устройства, обеспечить защиту информации и т. д.

Все программные компоненты, входящие в состав СПО, могут быть отнесены либо к базовому программному обеспечению, либо к сервисному программному обеспечению (рисунок 2). Базовое программное обеспечение, как правило, поставляется вместе с компьютером, а сервисное – приобретается отдельно.

Базовое программное обеспечение – это минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

Сервисное программное обеспечение – это программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения, а также используются для диагностирования устройств ЭВМ, обслуживания магнитных дисков и для защиты данных.

В базовом программном обеспечении можно выделить следующие составные части:

• операционная система (сетевая операционная система);

• операционные оболочки;

• драйверы.

Р исунок 2 – Состав системного ПО

К сервисному ПО относятся различные архиваторы, программы, предназначенные для кодирования данных, обслуживания дисков и технических средств компьютера (в том числе сетевых), обеспечивающие защиту от несанкционированного доступа и др. Обычно такие программные средства называют утилитами.

Ядром всего системного программного обеспечения является операционная система.

Операционная система представляет собой комплекс системных и служебных программных средств, обеспечивающих поддержку работы аппаратных средств ЭВМ, сетей и других программ (приложений).

Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Операционная система, как и аппаратное обеспечение, является неотъемлемой частью персонального компьютера. Однако если аппаратные узлы видимы, осязаемы и вполне материальны, то операционная система представляется пользователю как нечто неуловимое, абстрактное. Вместе с тем – это далеко не так. Пользователь, загружающий с диска компьютера операционную систему, инициирует процесс, позволяющий занести в различные модули ПК (процессор, оперативную память, контроллеры) всевозможную информацию. Эта информация настраивает информационно-вычислительную систему таким образом, чтобы пользователь смог выполнить на компьютере те или иные задачи.

Операционная система организует обмен информацией между оперативной памятью, внешними устройствами и центральным процессором. Она координирует работу всего множества устройств компьютера. При параллельной работе процессора, памяти и внешних устройств операционная система обеспечивает разделение ресурсов, чем предотвращает возможность возникновения конфликтов между компонентами вычислительной системы.

Операционные системы классифицируют:

- по количеству одновременно работающих пользователей – на однопользовательские и многопользовательские ОС;

- по числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС – на однозадачные и многозадачные;

- по количеству используемых процессоров – на однопроцессорные и многопроцессорные;

- по разрядности процессора – на 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные и т.д.;

- по типу пользовательского интерфейса – на командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);

- по 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 предназначены 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:

а) в начале работы формируется пакет заданий (мультипрограммная смесь). В мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом информации;

б) 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.

Операционные системы пакетной обработки применялись на больших ЭВМ централизованных вычислительных центров (вплоть до середины 90-х годов прошлого века).

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 за годы использования персональных ЭВМ 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.

Основная функция всех операционных систем – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

• интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

• интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

• интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Интерфейс пользователя представляет собой совокупность программных средств, предназначенных для обмена информацией между пользователем и операционной системой.

По способу реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после ее утверждения, например, нажатием клавиши ENTER. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивается семейством операционных систем под общим названием MS-DOS.

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши на рабочем столе.

В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие).

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

Средства аппаратного обеспечения ПЭВМ отличаются гигантским разнообразием. Существуют сотни различных моделей видеоадаптеров, звуковых карт, мониторов, принтеров и прочего оборудования. Ни один разработчик программного обеспечения не в состоянии предусмотреть все варианты возможного взаимодействия своей программы, например, с печатающим устройством. Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления – драйверы. Именно через драйверы происходит обеспечение аппаратно-программного интерфейса. Драйверы имеют точки входа для взаимодействия с прикладными программами, а диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств – это одна из функций операционной системы. Строго говоря, выпуская устройство, его разработчик прикладывает к нему несколько драйверов, предназначенных для основных операционных систем (поскольку в разных операционных системах по разному организуется управление внешними устройствами).

Суть программного интерфейса, обеспечиваемого операционной системой, состоит в следующем.

Для правильной работы приложений на компьютере они должны пройти операцию, называемую установкой. Необходимость в установке связана с тем, что разработчики программного обеспечения не могут заранее предвидеть особенности аппаратной и программной конфигурации вычислительной системы, на которой предстоит работать их программам. При установке осуществляется привязка приложения к существующей аппаратно-программной среде и его настройка на работу именно в этой среде.

Устаревшие операционные системы не имеют средств для управления установкой приложений. Единственное средство, которое они предоставляют – это возможность запуска устанавливающей программы, прилагаемой к дистрибутивному комплекту. Современные графические операционные системы берут на себя функции управления установкой приложений. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями, обеспечивают доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств вычислительной системы, формируют общие ресурсы, которые могут использоваться разными приложениями, выполняют регистрацию установленных приложений и выделенных им ресурсов.

Одной из важных функций любой операционной системы является организация и обслуживание файловой системы. Файловая система представляет собой совокупность программных средств, позволяющих организовать работу с данными.

При наличии большого числа программ и данных необходим строгий их учет и систематизация. Операционным системам приходится работать с различными потоками данных, разными аппаратными и периферийными устройствами компью­тера. Организовать упорядоченное управление всеми этими объектами позволяет файловая система.

Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учетом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных. Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспе­чивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными. Пользо­ватель, работая в контексте определенного языка программирования, обычно исполь­зует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определенную структуру. При работе с файлами пользователю предостав­ляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т.д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Наиболее распространенным видом файлов, внутренняя структура которых обеспечивается файловыми системами различных ОС, являются файлы с последова­тельной структурой. Такого рода файлы можно рассматривать как набор состав­ных элементов, называемых логическими записями (или блоками), длина которых может быть как фиксированной, так и переменной, и доступ к которым – последо­вательный, т.е. для обработки (считывания или записи) i-й записи должна быть обработана предыдущая (i-1)-я запись.

В ряде файловых систем предусматривается использование более сложных логиче­ских структур файлов, чем последовательная. Например, записи в файле могут образовывать древовидные структуры, может использоваться индексно-последовательная организация файлов (с упорядочением записей по значению некоторых полей) или, так называемая, библиотечная структура файлов, использующая уровень учет­ной информации (каталога), облегчающей поиск и доступ к отдельным компонентам файлов. На физическом уровне блоки файла (обычно размером 256 или 512 байт) могут размещаться в памяти непрерывной областью или храниться несмежно.

К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы:

создание файлов и присвоение им имен;

создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

переименование файлов и каталогов (папок);

копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

удаление файлов и каталогов (папок);

навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

управление атрибутами файлов.

Развитые многопользовательские файловые системы обеспечивают также защи­ту и разделение данных, хранящихся в файлах, при работе с ними разных пользова­телей. Так, например, после входа в систему UNIX (который производится по паролю) пользователь получает доступ к ряду системных, групповых и личных каталогов и файлов. Каждый файл и каталог имеет владельца. Обычно это пользо­ватель, создавший их.

Тип файловой системы и организация хранения данных на носителях устройств внешней памяти (накопители на гибких и жестких магнитных дисках) определяют удобство работы пользователя, скорость доступа к файлам, организацию многозадачной работы и др.

В первой наиболее популярной ОС для ПЭВМ MS-DOS использовалась файловая система FAT16. Она поддерживала шестнадцатиразрядную адресацию данных, что ограничивало объемы внешних накопителей информации (не более 2 Гбайт).

Используемые в настоящее время операционные системы Windows 98, Windows 2000, Windows Millennium, Windows ХР обеспечивают более совершенную организацию файловой системы – FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Увеличение размера полей FAT-таблицы позволило увеличить количество адресуемых единиц хранения данных (то есть количество кластеров) и, соответственно, уменьшить их размер.

Кроме названных, существуют и другие файловые системы. Например, в операционной системе OS/2 используется файловая система HPFS, которая не воспринимается DOS. Windows NT (Windows 2000), Windows ХР поддерживают также файловую систему NTFS, используемую в компьютерных сетях, которая совместима одновременно с файловыми системами FAT16 и HPFS.

Сетевые операционные системы представляют собой комплекс программ, обеспечивающих обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах. Кроме этого на сетевую ОС возлагаются функции защиты информации посредством разграничения доступа пользователей к программам и данным, хранящимся на дисках. Сетевые ОС используют архитектуру клиент-сервер или одноранговую архитектуру. Наибольшее распространение имеют такие сетевые ОС, как LAN Server, NetWare, VINES, Windows NT, Windows 2000, Windows ХР и другие.

Операционные оболочки – это специальные программы, предназначенные для облегчения работы пользователя с компьютером в среде операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.

К числу текстовых оболочек операционной системы MS DOS относятся Norton Commander, Volkov Commander, Disko Commander, Norton Navigator и др. Аналогичные оболочки разработаны и для операционной системы Windows (Windows Commander, Frigate и др.). Эти программы существенно упрощают задание управляющей информации для выполнения команд операционной системы, уменьшают напряженность и сложность работы пользователя.

Среди графических оболочек для MS DOS наибольшую популярность получили Windows 3.1, Windows 3.11 for WorkGroup, которые позволяют изменить среду взаимодействия пользователя с компьютером, расширяют набор основных и сервисных функций, обеспечивающих пользователю интегрированную информационную технологию вплоть до создания одноранговых локальных сетей.