1. Операционная система: основные понятия

1.1. Понятие операционной системы, её роль и функции

Как уже было сказано выше, операционная система – это набор программ (обычных и микро), которые обеспечивают пользователю возможность использования аппаратуры компьютера и его ресурсов в удобном для него виде. Удобство достигается посредством подмены в сознании пользователя реальной физической вычислительной машины некоторой моделью в виде расширенной или виртуальной машины.

Операционная система изолирует программное обеспечение пользователей от аппаратного обеспечения компьютера и обеспечивает взаимодействие указанного программного обеспечения и пользователя с компьютером через соответствующие интерфейсы операционной системы.

Основными функциями операционной системы являются:

• приём от пользователя или оператора машины заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка;

• загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

• распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти;

• запуск программы на исполнение, т.е. передача ей управления;

• идентификация всех программ и данных;

• приём и исполнение различных запросов от выполняющихся программ;

• обслуживание всех операций ввода-вывода;

• обеспечение систем управления файлами и систем управления базами данных;

• обеспечение режима мультипрограммирования;

• планирование и диспетчеризация задач в соответствии с принятыми стратегией и дисциплиной обслуживания;

• организация механизм а обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

• обеспечение взаимодействия связанных компьютеров (для сетевых операционных систем);

• защита от воздействия исполняемой программы на другие программы и саму операционную систему;

• проверка соответствия логина и пароля пользователя на соответствие данным учетной записи и назначение ему прав доступа (привилегий);

• удовлетворение жёстким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (для операционных систем реального времени);

• обеспечение работы систем программирования;

• предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.

Из курса информатики известно, что программы, существующие в виде исполняемых файлов, состоят из машинных команд. Легко сообразить, что машинные команды операционной системы и программ пользователей имеют разную значимость для работы вычислительной системы. Для команд программ пользователей и многих команд операционной системы накладываются ограничения на доступ к различным областям оперативной памяти. Их выполнение может быть отложено по различными причинам. Такие команды называются непривилегированными. И, напротив, существуют команды, исполнение которых не может быть отложено, и которые имеют доступ к любым областям оперативной памяти. Такие команды называются привилегированными.

Как уже указывалось, что операционная система представляет собой набор программ. Эти программы называются модулями операционной системы. Совершенно очевидно, что все модули операционной системы можно разбить на две большие группы: модули, которые должны находиться в памяти постоянно, и модули, которые подгружаются в оперативную память по мере необходимости. Модули первой группы можно назвать ядром операционной системы. Вполне естественным является вариант объединения модулей ядра в единую программу. Такое ядро называется монолитным.

Среди модулей операционной системы следует выделить специальные модули, решающие частные задачи по управлению физическими устройствами. Такие модули называются драйверами. Примерами драйверов являются драйверы клавиатуры, принтеров, сканеров, дисковых накопителей, а также сетевые драйверы.

Продолжая структуризацию операционной системы, внутри неё можно вы­делить множество уровней, по которым распределяются модули операционной системы. На рис. 1.1 показан пример ядра операционной системы с пятью уровнями. Самый низкий уровень Hardware является уровнем, модули которого выполняют роль посреддников между программным обеспечением и аппаратной частью вычислительной системы.

Рис. 1.1. Операционная система, привилегированный режим и программы пользователя

На следующем уровне находятся супервизоры, команды которых явля­ются привилегированны­ми и имеют наивысший приоритет (значимость для вычислительной машины). На следующих уровнях находятся модули управления памятью, драйверы и модули интерфейса пользователя. Операционные системы с немонолитным ядром называются слоёными системами. Они имеют более низкую эффективность по сравнению с системами с монолитным ядром.

Граница ядра показана жирной линией. Она на рисунке является и грани­цей привелигированного режима. В области непривилегированного режима находятся непривилегированные модули операционной системы и программы пользователей.

Важной составной частью операционной системы является базовая система ввода-вывода (BIOS), которая обеспечивает микропроцессору низкоуровневый доступ к устройствам ввода и вывода. Эта система помещается в постоянное запоминающее устройство и при запуске машины перегружается в оперативную память.

В настоящее время разрабатываются операционные системы с ядром минимального объёма. В таких системах за границу привилегированного режима выносятся и драйверы, и менеджеры памяти, сети и файловой системы. Такие операционные системы называются микроядерными, а само ядро в этом случае называется микроядром.