Занятие 1. Понятие операционной системы, ее назначения и функции

План занятия:

· Понятия операционной системы

· Операционная система как расширенная машина

· Операционная система как распределитель ресурсов

· Классификация современных ОС

Понятия операционной системы

Причиной появления операционных систем была необходимость создания удобных в использовании компьютерных систем (под компьютерной системой будем понимать совокупность аппаратного и программного обеспечения компьютера). Компьютерные системы изначально разрабатывались для решения практических задач пользователей. Поскольку делать это с помощью только аппаратного обеспечения оказалось сложно, были созданы приложения. Для таких программ понадобились общие операции управления аппаратным обеспечением, распределения аппаратных ресурсов и тому подобное. Эти операции сгруппировали в рамках отдельного уровня программного обеспечения, который и стали называть операционной системой.

Далее возможности операционных систем вышли далеко за пределы базового набора операций, необходимых приложениям, но промежуточное положение таких систем между приложениями и аппаратным обеспечением осталось неизменным.

Можно дать такое определение операционной системы.

Операционная система (ОС) - это программное обеспечение, реализующее связь между прикладными программами и аппаратными средствами компьютера.

Операционные системы обеспечивают, во-первых, удобство использования компьютерной системы, во-вторых, эффективность и надежность ее работы.

Первая функция присуща ОС как расширенной машине, вторая - ОС как распределителя аппаратных ресурсов.

Операционная система как расширенная машина

С помощью операционной системы, у прикладного программиста (а из-за его программ и у пользователя) должно создаваться впечатление, что он работает с расширенной машиной.

Аппаратное обеспечение компьютера недостаточно приспособлено к непосредственному использованию в программах. Например, если рассмотреть работу с устройствами ввода-вывода на уровне команд соответствующих контроллеров, то можно увидеть, что набор таких команд ограничен, а для многих устройств - примитивный (есть даже выражение: «аппаратное обеспечение безобразное»). Операционная система скрывает такой интерфейс аппаратного обеспечения, вместо него программисту предлагают интерфейс прикладного программирования, использующий понятие высшего уровня (их называют абстракциями).

Например, при работе с диском типичной абстракцией является файл. Работать с файлами проще, чем непосредственно с контроллером диска (не нужно учитывать перемещения головок дисковода, запускать и останавливать мотор и т.д.), вследствие этого программист может сосредоточиться на сути прикладной задачи. За взаимодействие с контроллером диска соответствует операционная система.

Выделение абстракций позволяет добиться того, что код ОС и прикладных программ не потребует изменения при переходе на новое аппаратное обеспечение. Например, если установить на компьютере дисковое устройство нового типа (при условии, что он поддерживается ОС), все его особенности будут учтены на уровне ОС, а прикладные программы будут продолжать использовать файлы, как и раньше. Такая характеристика системы называется аппаратной независимостью. Можно сказать, что ОС предоставляют аппаратно-независимое среду для выполнения прикладных программ.

Операционная система как распределитель ресурсов

Операционная система эффективно распределяет ресурсы. Под ресурсами понимают процессорное время, дисковое пространство, память, средства доступа к внешним устройствам. Операционная система выступает в роли менеджера этих ресурсов и предоставляет их приложениям по требованию.

Различают два основных вида распределения ресурсов. В случае пространственного распределения ресурс доступен нескольким потребителям одновременно, при этом каждый из них может пользоваться частью ресурса (так распределяется память). В случае временного распределения, система ставит потребителей в очередь и в соответствии с ней предоставляет им возможность пользоваться всем ресурсом ограниченное время (так распределяется процессор в однопроцессорных системах).

При распределении ресурсов ОС решает возможные конфликты, предотвращает несанкционированный доступ программ к тем ресурсам, на которые они не имеют прав, обеспечивает эффективную работу компьютерной системы.

Классификация современных ОС

Рассмотрим классификацию современных операционных систем в зависимости от области их применения.

Прежде всего отметим ОС больших ЭВМ (мэйнфреймов). Основной характеристикой аппаратного обеспечения, для которого их разрабатывают, является производительность ввода-вывода: большие ЭВМ оснащают большим количеством периферийных устройств (дисков, терминалов, принтеров и т.д.). Такие компьютерные системы используют для надежной обработки значительных объемов данных, при этом ОС должна эффективно поддерживать эту обработку (в пакетном режиме или в режиме разделения времени). Примером ОС такого класса может быть OS/390 фирмы IBM.

К следующей категории можно отнести серверные ОС. Главная характеристика таких ОС - способность обслуживать большое количество запросов пользователей к совместно используемым ресурсам. Важную роль для них играет сетевая поддержка. Есть специализированные серверные ОС, из которых исключены элементы, не связанные с выполнением их основных функций (например, поддержка приложений пользователя). В настоящее время для реализации серверов чаще применяют универсальные ОС (UNIX или системы линии Windows).

Самая массовая категория - персональные ОС. Некоторые ОС этой категории разрабатывали с расчетом на непрофессионального пользователя (линия Windows 95/98/Ме фирмы Microsoft, которую далее будем называть Consumer Windows), другие упрощенными версиями универсальных ОС. Особое внимание в персональных ОС уделяется поддержке графического интерфейса пользователя и мультимедиа-технологий.

Выделяют также ОС реального времени. В такой системе каждая операция должна быть гарантированно выполнена в заданном временном диапазоне. ОС реального времени могут управлять полетом космического корабля, технологическим процессом или демонстрацией видеороликов. Существуют специализированные ОС реального времени, такие как QNX и VxWorks.

Еще одной категорией являются встроенные ОС. К ним относятся управляющие программы для различных микропроцессорных систем, используемых в военной технике, системах бытовой электроники, смарт-картах и других устройствах. К таким системам ставят особые требования: размещение в малом объеме памяти, поддержка специализированных средств ввода-вывода, возможность прошивки в постоянном запоминающем устройстве. Часто встроенные ОС разрабатываются под конкретное устройство; к универсальным системам относятся Embedded Unix и Windows CE.