Понятие и функции операционных систем
Операцио?нная систе?ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс междуустройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций (см.: интерфейс программирования приложений).В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).
Основные функции:
- Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
- Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
- Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
- Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
- Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
- Обеспечение пользовательского интерфейса.
- Сохранение информации об ошибках системы.
- Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
- Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
- Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
- Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
- Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
- Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
- Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см.: аутентификация, авторизация).
Режимы и типы ОС
Операционная система может выполнять запросы пользователей в пакетном или диалоговом режиме или управлять устройствами в реальном времени. В соответствии с этим различают операционные системы пакетной обработки, разделения времени и диалоговые (см. таблица 1).
| Операционные системы | Характер взаимодействия пользователя с заданием | Число одновременно обслуживаемых пользователей | Обеспечиваемый режим работы ЭВМ |
| Пакетной обработки | Взаимодействие невозможно или ограничено | Один | Однопрограммный |
| Разделения времени | Оперативное | Один или несколько | Однопрограммный или мультипрограммный |
| Диалоговая | В реальном времени | Несколько | Мультипрограммный |
Операционная система пакетной обработки – это система, которая обрабатывает пакет заданий, т. е. несколько заданий, подготовленных одним или разными пользователями. Взаимодействие между пользователем и его заданием во время обработки невозможно или крайне ограничено. Под управлением операционной системы пакетной обработки ЭВМ может функционировать в однопрограммном и мультипрограммном режимах.
Операционные системы разделения времени. Такие системы обеспечивают одновременное обслуживание многих пользователей, позволяя каждому пользователю взаимодействовать со своим заданием в режиме диалога. Эффект одновременного обслуживания достигается разделением процессорного времени и других ресурсов между несколькими вычислительными процессами, которые соответствуют отдельным заданиям пользователей. Операционная система предоставляет ЭВМ каждому вычислительному процессу в течение небольшого интервала времени; если вычислительный процесс не завершился к концу очередного интервала, он прерывается и помещается в очередь ожидания, уступая ЭВМ другому вычислительному процессу. ЭВМ в этих системах функционирует в мультипрограммном режиме. Операционная система разделения времени может применяться не только для обслуживания пользователей, но и для управления технологическим оборудованием. В этом случае “пользователями” являются отдельные блоки управления исполнительными устройствами, входящими в состав технологического оборудования: каждый блок взаимодействует с определённым вычислительным процессом в течение интервала времени, достаточного для передачи управляющих воздействий на исполнительное устройство или приёма информации от датчиков.
Операционные системы реального времени. Данные системы гарантируют оперативное выполнение запросов в течение заданного интервала времени. Запросы могут поступать от пользователей или от внешних по отношению к ЭВМ устройств, с которыми системы связаны каналами передачи данных. При этом скорость вычислительных процессов в ЭВМ должна быть согласована со скоростью процессов, протекающих вне ЭВМ, т. е. согласована с ходом реального времени. Эти системы организуют управление вычислительными процессами таким образом, чтобы время ответа на запрос не превышало заданных значений. Необходимое время ответа определяется свойствами объектов (пользователей, внешних устройств), обслуживаемых системой. Операционные системы реального времени используются в информационно– поисковых системах и системах управления технологическим оборудованием. ЭВМ в таких системах функционирует чаще в многозадачном режиме.
Диалоговые операционные системы.Данные операционные системы получили широкое распространение в персональных ЭВМ. Эти системы обеспечивают удобную форму диалога с пользователем через дисплей при вводе и выполнении команд. Для выполнения часто используемых последовательностей команд, т. е. заданий, диалоговая операционная система предоставляет возможность пакетной обработки. Под управлением диалоговой ОС ЭВМ обычно функционирует в однопрограммном режиме.
Организация ОС. Концепции ОС
В процессе эволюции возникло несколько важных понятий, концепций, которые стали неотъемлемой частью теории и практики ОС. Системные вызовы. В любой ОС существует механизм для обращения пользовательских программ у услугам ядра ОС.
Системные вызовы – это интерфейс между ОС и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых процессы и файлы. Программа запрашивает услуги ОС, осуществляя системный вызов Существуют библиотеки процедур, которые передают управление обработчику данного вызова, входящего в состав ядра ОС. Цель этих библиотек — сделать системный вызов похожим на обычный вызов подпрограмм. При системном вызове задача переходит в защищенный режим или режим ядра, поэтому системные вызовы называются программным прерыванием, в отличие от аппаратных. Обычно системный вызов осуществляется компьютерной программой прерывания INT. Прогр. прерывание — синхронное событие.
Прерывания. Прерывание – (событие) сигнал, генерируемый внешним устройством для немедленной реакции ЦП на событие(нажатие клавиши), либо для извещения о завершении асинхронной операции ввода/вывода. (конец чтения данных с магнитного диска в ОЗУ).
Каждый тип аппаратных прерываний имеет номер однозначно определяющий источник прерываний. Аппаратное прерывание – асинхронное событие, т.е. оно возникает вне зависимости от кода программы.
Исключительные ситуации. Исключительная ситуация – exception – это событие, возникающее при выполнении программной команды, которая по каким-то причинам не может быть выполнена до конца. Исключительная ситуация – синхронное событие. Исключительные ситуации бывают исправимые и неисправимые. Возникновение первых является нормальным явлением. Неисправимые исключительные ситуации возникают в результате ошибок в программе. В этих случаях ОС завершает выполнение такой программы.
Файлы. Файлы предназначены для хранения информации на внешних носителях, т.е. принято, что информация должна находится внутри файла. Под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации. Главная задача файловой системы скрыть особенности ввода/вывода и дать абстрактную модель файлов независимо от устройства.
С организацией файловой системы связаны такие понятия как каталог, текущий каталог, корневой каталог и путь.
Для манипулирования этими объектами в ОС имеются системные вызовы.
Процессы. Нити. Под процессом понимается экземпляр выполняющийся в ОС задачи со всеми ее данными. Понятие процессов как основных динамических объектов, над которыми системы выполняют опер-е действия явл-ся фундаментальными понятиями д/изучения работы ОС. Термины «прога» и «задание » предназначены д/описания статически неактивных объектов. Прога динамически активна. Д/выполнения проги ОС должна выделить определённое кол-во опер. памяти. Вместо терминов «прога» и «задание » используется термин «процесс». Понятие процесса хар-ет нелин-ую сов-ть набора исполняющих команд, связанных с ним ресурсов (выделенная д/исполнения память или адресное прост-во в стеке , использ-е файлы, устр. вв/выв и т.д.) и текущего момента его выполнения (значение регистра программного счётчика, сост-е стека и значение переменных),находящихся под управлением ОС. Не сущ-ет взаимнооднозначного соответствия м/у процессами и прогами, выполняемыми вычислительной системой. В некот. ОС д/опред-я прог можно организовываться один, более одного процесса или один и тот же процесс м. послед-но исполнять неск. прог. Более того, процесс нах-ся под управлением ОС, поэтому в нём и выпол-ся часть кода её ядра (не нах-ся в исполнительном файле). Это происходит в случае специально запланированных прог-ми (напр., при исполнении сист-х вызовов), так и в непредусмотренных ситуациях(напр., при обраб-ке внеш. прерываний) Была введена такая абстракция внутри понятия процесса – нить исполнения. Нити процесса разделяют его программный код, глобальные переменные и системные ресурсы, но каждая нить имеет свой собственный программный счетчик, свое содержимое регистров и свой стек. Теперь процесс представляется как совокупность взаимодействующих нитей и выделенных ему ресурсов. Процесс, содержащий всего одну нить исполнения, идентичен процессу в традиционном смысле. Иногда нити называют облегченными процессами или мини процессами, т.к. во многих отношениях они подобны традиционным процессам.
