7.3.1. Операционные системы
Автоматизация управления вычислительным процессом предусматривает минимизацию вмешательства человека в ход вычислительного процесса с целью повышения его эффективности (человек работает слишком медленно). Функция организации эффективной работы аппаратуры и программного обеспечения в соответствии с заданным режимом, директивами программиста, сопровождающими программы, и указаниями пользователя – это функция операционных систем.
Определение и функции операционных систем
Операционные системы (ОС) представляют собой ядро системного программного обеспечения. Операционные системы определяют обычно как супервизорные, или мониторные, т.е. управляющие системы. Эти системы представляют собой средство, обеспечивающее эффективную работу ВС через автоматизацию процесса выполнения программ, распределения необходимых им для выполнения ресурсов, доступа к ресурсам, организации их взаимодействия. Таким образом, основные функции ОС можно определить следующим образом:
– управление процессами (программами во время выполнения);
– управление ресурсами;
– управление данными;
– организация интерфейса с пользователем.
Кроме того, в состав ОС включают вспомогательные обслуживающие программы, называемые утилитами. Эти служебные программы реализуют служебные функции, обеспечивающие более эффективное выполнение основных функций ОС (установки нового оборудования и программ, функции проверки работоспособности системы и восстановления после сбоев и т.п.).
ОС представляет собой совокупность управляющих и вспомогательных, служебных программ. Основной функцией ОС является организация выполнения программ. Остальные функции лишь обеспечивают условия для решения этой задачи: программе во время выполнения необходимы ресурсы (оперативная память и время процессора, внешние устройства для выполнения операций ввода/вывода, организации доступа к данным), пользователь должен иметь в своем распоряжении средства для запуска программ и наблюдения за ходом их выполнения, для взаимодействия с ними и получения результатов.
Классификация операционных систем
Разные ОС, ориентированные на работу в различных условиях, реализуют свои функции по-разному, предоставляют пользователям разный уровень сервиса. В зависимости от режима работы ОС, от способов реализации основных ее функций операционные системы можно разбить на следующие классы:
– по количеству программ, которые одновременно могут выполняться на ВС, работающей под управлением ОС, различают два класса ОС:
однопрограммные (в каждый момент времени на ВС выполняется только одна программа) и
и много-, или мультипрограммные ВС (на ВС параллельно во времени могут выполняться несколько программ);
– по количеству пользователей, которые одновременно могут работать на ВС, различают:
однопользовательские (ОС обеспечивает возможность работы только одного пользователя) и
многопользовательские (на ВС могут одновременно работать несколько пользователей, каждый из которых выполняет собственные программы во взаимодействии или независимо от других пользователей);
– по режимам работы различают
ОС пакетного режима (задается последовательность и условия выполнения программ (пакет) и система автоматически переходит от выполнения одной программы пакета к другой; таким образом, ВС работает полностью автоматически, «самостоятельно»);
интерактивные ОС (реализуют диалоговый режим работы пользователя, обеспечивая приемлемое время реакции системы на запросы пользователя);
ОС реального времени (обеспечивают отклик системы в течение ограниченного интервала времени; ответ, полученный позднее, считается неверным, что равносильно его отсутствию вообще).
В однопрограммных ОС все ресурсы ВС отдаются в распоряжение единственной загруженной на выполнение программы. Поэтому эти ОС являются наиболее простыми и не требуют для своего выполнения мощных ресурсов. Более того, они «не умеют» распоряжаться большими ресурсами. Примером такой ОС можно считать MS‑DOS (MicroSoft Disk Operating System). Эта ОС без дополнительно установленных расширений может работать только с 1 Мб оперативной памяти, из которых часть резервируется за компонентами самой ОС, а для выполнения программ пользователя остается лишь 640 Кб. Система управления дисками этой ОС также ограничена: ее файловая система FAT может размещаться на дисках с размером не больше 2 Гб. В MS‑DOS не реализованы какие-либо средства защиты, любая программа может выполнить любую операцию. Данная ОС использует базовый (реальный режим работы процессоров).
Многопрограммные (мультипрограммные) ОС обеспечивают параллельное выполнение нескольких программ. Поэтому такие ОС должны обеспечить эффективное распределение ресурсов между ними, защиту программ друг от друга, от ошибок, которые могут произойти при выполнении одной из программ (ошибки одной программы не должны помешать выполнению другой). Кроме того, программы во время выполнения могут взаимодействовать, обмениваться данными друг с другом, поэтому ОС должна обеспечить эффективные механизмы реализации такого взаимодействия.
В современных ОС введено еще одно понятие – многозадачность. Задача (поток, нить управления, тред – thread) в ОС соответствует подзадаче, решаемой в рамках программы (например, при работе с текстовым редактором можно выделить подзадачи редактирования текста, печати документа, проверки правописания и т.п.). Многозадачные ОС реализуют принцип мультипрограммирования в рамках одной программы, т.е. при выполнении одной программы параллельно может выполняться несколько задач (пользователь, отправив документ на печать, может в это время заняться редактированием другого документа, включив фоновую проверку орфографии и грамматики). Все современные ОС для ПК являются многозадачными. Примерами таких систем служат ОС фирмы Microsoft (Windows 9x (95/98/ME), операционные системы, основанные на технологии NT (New Technology) – Windows NT, семейства Windows 2000 и Windows XP), OS/2 фирмы IBM, ОС UNIX, сетевая ОС Novell NetWare и др.
Однопользовательские системы могут быть как одно-, так и многопрограммными (MS‑DOS и Windows 9x). Многопользовательские ОС обязательно являются мультипрограммными (ОС для мэйнфрейма IBM/390, сетевые ОС).
Современные ОС обеспечивают различные режимы выполнения программ: на одном и том же компьютере могут выполняться как программы в интерактивном режиме, так и программы реального времени (например, пользователь работает с текстовым процессором или электронной таблицей, взаимодействуя с ними, а в это время в реальном времени выполняются коммуникационные программы, обеспечивающие доступ к удаленным ресурсам по сети, передачу сообщений). Пользователь может составить «пакет», который система должна будет выполнить «самостоятельно», создав командный файл или сценарий на специальном языке, предоставляемом в его распоряжение.
