Операционная система

Компьютерные операционные системы

Начальный загрузчик является маленькой программой, у которой всего одна функция: загрузить в память операционную систему. Это позволит начать работу. В общем случае, загрузчик запускает небольшие программы-драйверы, которые взаимодействуют с различными аппаратными подсистемами и контролируют их. Все это располагается в той же памяти, которая содержит саму операционную систему, пользовательскую информацию и приложения. В движение приводится структура данных, содержащая огромное множество сигналов, индикаторов и синхронизаций, обеспечивающих взаимодействие в пределах и между подсистемами и приложениями компьютера. Затем контроль над компьютером переходит к операционной системе.

На этом мы поставим запятую, поскольку нам предстоит еще поговорить о том, какие группы задач выполняет типичная операционная система. Но это станет темой очередного повествования.

Продолжение следует…

По материалам computer.howstuffworks.com

Какие бывают?

Основные виды операционных систем в зависимости от разработчика:

• Windows – «детище» компании M На момент написания этой статьи самой свежей версией является Виндовс 10, но по популярности она все еще уступает «семерке»;
• Mac OS X – продукт от Apple, отличающийся стабильной работой, минимальными требованиями к производительности оборудования;
• Linux – распространяется бесплатно, исходный код в свободном доступе, что позволяет любому пользователю вносить изменения, улучшения;
• Мобильные платформы: Android, iOS, Windows Mobile, Bada, Symbian и другие. На самом деле их очень много, но большинство уже успели отойти в прошлое, оставив на вершине лишь парочку «гигантов».

Каждая «операционка» имеет свой уникальный GUI – графический интерфейс, отличающий её от других. До внедрения этой «оболочки», людям приходилось работать в мрачной среде командной строки. Ох и суровые были времена…

Автор рекомендует:

• Секреты и фишки Виндовс 10
• Как проверить и исправить ошибки жесткого диска
• ТОП лучших программ для просмотра ТВ на компе

Теперь рассмотрим современные операционные программы для компьютеров.

Классификация операционных систем по компонентам

Система состоит из набора программного обеспечения (ПО), которое можно использовать для управления взаимодействием с оборудованием. В этот набор ПО обычно входят следующие элементы:

Ядро: это основные функции операционной системы, такие как управление памятью, процессы, файлы, входы основные выходы и функции связи.

Оболочка: обеспечивает связь с операционной системой через язык управления, позволяя пользователю управлять устройством, не зная характеристик оборудования, управления физическими адресами и т. д.

Первая операционная система была разработана IBM молодым человеком по имени Билл Гейтс. Она могла работать на разных компьютерах от разных производителей и называлась DOS. DOS была просто текстовым экраном с командной строкой, которая сообщала нам о каталоге и ждала от нас руководства. Вы должны были «знать», что писать, чтобы машина «что-то делала». Не было контекстного меню и графических дисплеев, которые могли бы нам помочь.

Вначале только люди, обладающие большими компьютерными знаниями, могли пользоваться компьютерами.

В 80-е годы появляются системы Mac OS и MS-DOS, Windows. Экспоненциальный рост пользователей, большинство из которых не знают языков программирования, начался в 80-х годах. Приоритетом разработки операционной системы стала простота использования, что привело к появлению первых пользовательских интерфейсов.

Macintosh это имя, под которым мы в настоящее время называем любой персональный компьютер, спроектированный, разработанный, построенный и продаваемый Apple Inc.

Macintosh 128K был выпущен 22 июля 1984 г. и был первым успешно проданным персональным компьютером, в котором использовались графический интерфейс и мышь, вместо интерфейса с командной строкой.

Графический интерфейс пользователя использует среду WIMP (windows, icons, menus and pointer – окна, значки, меню и указатель). Фон экрана стал называться рабочим столом и содержать изображения, называемые иконками.

В 1984 году Apple выпустила Macintosh — первый компьютер с мышью и графическим пользовательским интерфейсом (GUI — graphical user interface, графический пользовательский интерфейс).

Несколько лет спустя Microsoft запустил Windows, еще одну операционную систему, основанную на графике и интуитивно понятных инструментах.

Структура операционной системы компьютера:

• Ядро ОС – преобразует команды программ в машинные коды, понятные компьютеру.
• Драйверы – программы, предназначенные для взаимодействия компьютера с аппаратными устройствами.
• Интерфейс – программная оболочка для общения пользователя с компьютером.

Выполнение любой работы на компьютере, как правило, сопряжено с обменом файлами устройств между собой. За работу с файлами отвечает группа программ ОС, называемая файловой системой.

За работу с запросами пользователя отвечает часть ОС – командный процессор. Операционная система должна выполнить любые команды пользователя, оперирующие файлами, будь то команды перемещения, удаления, копирования, либо команды обмена файлами между устройствами.

Все устройства компьютера подсоединяются к нему через системную шину. Это и монитор, и клавиатура, и принтер, и дисководы, и различного рода манипуляторы, и другие. Для управления работой всего многообразия устройств современного компьютера для каждого устройства создаются специальные программы, понимающие как команды устройства, так команды процессора, – драйверы.

Пользовательский интерфейс современных ОС является графическим. Это позволяет пользователю вводить команды, указывая при помощи графических манипуляторов (например, мышью)  на требуемый объект на экране, не прибегая к вводу команд с клавиатуры.

Неотъемлемой частью операционной системы являются утилиты, или служебные сервисные программы – программы обслуживания дисков, программы-архиваторы, программы работы в сетях и т.д.

К услугам пользователя предоставлена справочная система ОС, которая даёт возможность получения сведений как о работе операционной системы, так и по каждой её части.

Понятие

Есть приложения вычислительной техники, для которых операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении. Многие простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без операционной системы, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске.

Операционные системы нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);
• оператор должен иметь возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды — оболочка и наборы утилит — они могут являться частью операционной системы.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

• использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
• многопользовательские (с разделением полномочий),
• многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;
• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами.

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Эволюция и основные идеи

Предшественником операционных систем следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950—1960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий

Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой системы прикладной программой.

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени

Основная статья: Операционная система реального времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции реального масштаба времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).

Файловые системы и структуры

Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках).

Файловая система — способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

> Существующие операционные системы Основная статья: Список операционных систем

Какие операционные системы существуют

Microsoft Windows

Это первая операционная система, имеющая интерфейс, к которому привык современный пользователь. Windows была выпущена в 1985 году. До этого существовал MS DOS, имеющий вид оболочки, в которую вводятся команды.

Выглядело это вот так.

А вот так выглядела первая версия Windows.

На данный момент новейшей версией является Windows 10

Преимущества Windows

• Её просто установить и легко использовать.
• Драйвера всех популярных программ работают на этой платформе.
• Имеет привлекательный интерфейс.
• Эта ОС поддерживает многие устройства.
• Удаленная иформация легко восстанавливается.
• Получение помощи технической поддержки.

• Из-за своей популярности эта ОС часто подвергается атакам вредоносного ПО, то есть хватает вирусы.
• Операционная система платная и стоит дорого.
• Чтобы стабилизировать работу, приходится постоянно читстить мусор.

Linux

Эту ОС выпустили в 1991 году. Попытки конкуренции с Windows оказались неудачными, популярность эта операционная система так и не завоевала.

Плюсы

• Открытость исходного кода. То есть, ОС является бесплатной.
• Угроза от вирусов практичеки отсутствует.
• Системных ресурсов требуется значительно меньше.

Минусы

• Сложно освоить новичку.
• Создана в основном для программистов, поэтому отсутствуют игры и многие программы.
• Возникает проблема права доступа.

Эту ОС поддерживает только техника Apple, она не совместима с устройствами других производителей.

Достоинства

• Интерфейс удобный и имеет много функций, которые делают работу легкой.
• Безопасность и надежная защита от вирусов.
• Преимущество в стабильной работе.

Понятие «операционная система»

Операционная системапроверке их выполненияЗадача еще усложняется следующим:

• имеется около десятка форматов дискет, и операционная система должна уметь работать со всеми этими форматами. Для пользователя работа с дискетами различного формата должна осуществляться абсолютно одинаково;
• файл на дискетах занимает определенные участки, причем пользователь не должен ничего знать о том, какие именно. Все функции по обслуживанию таблиц размещения файлов, поиску информации в них, выделению места для файлов на дискетах выполняются операционной системой, и пользователь может ничего не знать о них;
• во время работы программы копирования может возникать несколько десятков различных особых ситуаций, например сбой при чтении или записи информации, неготовность дисководов к чтению или записи, отсутствие места на дискете для копируемого файла и т.д. Для всех этих ситуаций необходимо предусмотреть соответствующие сообщения и корректирующие действия.

также различные вспомогательные действиянабор программ, управляющих оборудованиемнабор программ, управляющих другими программамипостоянно исполняют лишь одну программуОперационные системы нужны:

• если нужен универсальный механизм сохранения данных;
• для предоставления  системным библиотекам часто используемых подпрограмм;
• для распределения полномочий;

• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере;
• для управления процессами выполнения отдельных программ.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

• использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
• многопользовательские (с разделением полномочий),
• многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов в самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;
• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами.

другим ресурсам ядра

Что такое Операционная Система?

Операционная система (ОС) – самое важное программное обеспечение, которое работает на компьютере. Она управляет компьютерной памятью, процессами и всем прикладным программным обеспечением (программами) и оборудованием

Она также позволяет вам общаться с компьютером, не зная, «компьютерного языка». Без операционной системы вы не сможете использовать компьютер по назначению.

Загрузка операционной системы.

Вы, наверное, слышали фразу загрузить компьютер, но знаете ли вы, что это значит? Загрузка — это процесс, который происходит, когда вы нажимаете кнопку питания, чтобы включить компьютер. Во время этого процесса (который может занять некоторое время), компьютер делает несколько вещей:

• Выполняет тесты, чтобы убедиться, что все работает правильно.
• Проверяет наличие нового оборудования.
• Запускает операционную систему.

Когда операционная система запущена, она управляет всем программным и аппаратным обеспечением на компьютере. В процессе работы компьютера, множество различных программ, работают одновременно, и все они должны иметь доступ к ресурсам компьютера (процессору, оперативной памяти, жёсткому диску). ОС координат всё это, чтобы убедиться, что каждая программа получает, что ей нужно. Без ОС, программное обеспечение не может общаться с оборудованием, а компьютер в таком случае бесполезен.

Краткий обзор современных операционных систем

Семейство «Майкрософт Виндовс»:

• Windows 95-98;
• Microsoft Windows NT 4;
• Microsoft Windows 2000;
• Windows ME;
• Microsoft Windows XP;
• Windows Vista;
• Windows 7;
• Windows 8.

Назначение операционной системы «Windows» было изначально определено как дружелюбность к пользователю. Компания Гейтса – первая, что взялась популяризировать простые в использовании ПК. Одной из самых популярных систем стала «Виндовс ХР», которая прочно держится на рынке, даже после того, как компания «Майкрософт» перестала поддерживать систему обновлениями.

Система сочетала в себе рациональность использования ресурсов, простоту в установке и использовании, тем самым выполняя требования, которые предусматривает базовое назначение операционной оболочки. После выпуска ХР «Майкрософт» выпускают не очень удачную ОС «Виста», которая имеет серьезные проблемы в защите, быстродействии, но отличается стильным интерфейсом, новомодными виджетами. Но это не спасло систему и не сделало её такой популярной. А вот после «Висты» вышла 7-ая версия «Виндовс».

Последняя разработка до сих пор дарует людям красочный яркий интерфейс и хорошие показатели быстродействия, в купе с неплохой защитой, тем самым с лихвой восполняя пробелы прошлой версии и полноценно выполняя назначение операционной системы «Windows».

Реализация многозадачности¶

Осуществляется при помощи следующих механизмов:

• Прерывание таймера

• Переключение контекста

• План блокировок, при наличии нескольких CPU
• Освобождение ресурсов при завершении процесса

Контекст процесса — это состояние регистров, при его выполнении на процессоре.

Следовательно, переключение контекста — это смена контекста одного процесса, на контекст другого, без потери данных сменяемого процесса — то есть, чтобы его потом можно было восстановить с того момента, где он был переключён.

Примечание

Например, у нас на процессоре в данный момент времени выполняется «процесс 1» — в регистрах хранятся данные, которые относятся к этому процессу.

Но происходит прерывание и «процесс 1» снимается с выполнения на процессоре, чтобы вместо него выполнялся «процесс 2». Следовательно, нужно заполнить регистры уже теми данными, что относятся к «процессу 2».

Однако, «процесс 1» ещё не выполнился полностью, и для дальшейнего исполнения ему нужны те данные, что хранились в регистрах при прерываний, то есть необходим его контекст. Операционная система должна обеспечивать подобные смены контекстов без потери данных.

При переключений контекста возникает три важных вопроса:

1. Как?
2. Когда?
3. Между кем и кем?

Как?

В целом, смена контекста происходит между состояниями «Готов», «Ожидает» и «Исполняется».

Одна из основных проблем с которыми может столкнуться такая система с вытесняющей многозадачностью — порядок доступа процессов к их общим ресурсам.

Возникают, так называемые, критические секции – участки исполняемого кода программы, в которых производится доступ к общему ресурсу (данным или устройству), который не должен быть одновременно использован более чем одним потоком выполнения.

Рис 12. Критические секции в потоках процесса

Может возникнуть такая ситуация, когда один поток, «потребитель», начинает использовать данные, которые должен подготовить другой поток, «производитель», но этот производитель ещё не закончил их подготовку и снялся с исполнения. Таким образом, «потребитель» использует некорректные данные, что с высокой долей вероятности приведёт к ошибке.

Данная проблема решается с помощью механизма блокировок – когда поток, получивший доступ к ресурсу, блокирует его, не давая другим потокам пользоваться этим захваченным ресурсом до разблокировки. То есть, если один поток хочет захватить (заблокировать) ресурс, а он уже занят другим потоком, то первый будет ожидать пока этот другой поток-владелец сам не освободит этот ресурс.

Примечание

Все эти механизмы обеспечиваются операционной системой

Чтобы лучше это понять, можно обратиться к аналогии с туалетом — им может пользоваться только один человек. Если другой хочет им воспользоваться, то ему нужно дождаться когда его освободит уже им пользующийся.

Заключение

Современная
операционная система представляет собой сложный набор программных средств,
который не только обеспечивает пользователя стандартизированным вводом и
выводом информации и управлением программой, но и упрощает работу с
компьютером. Программный интерфейс операционных систем позволяет уменьшить
размер конкретной программы и упростить ее работу со всеми компонентами
вычислительной системы.

Каждая
операционная система уникальным образом определяет набор функций, позволяющих
осуществлять обмен с файлом, состоящий из запросов на открытие, чтение,
управление и закрытие файла.

Операционная
система Windows является наиболее широко используемой операционной системой, и
для большинства пользователей она является наиболее подходящей благодаря своей
простоте, хорошему интерфейсу, приемлемой производительности и большому
количеству приложений. С выходом Windows 95 Windows превратилась из графической
надстройки в полноценную операционную систему Windows.

Windows
98 наконец-то обеспечила переход с устаревшего жесткого диска (файловой
системы) на систему FAT32, что позволило сэкономить место в системе хранения
данных. В той же версии была удалена разница между файлами и папками на компьютере
и объектами WorldWideWeb. В обоих случаях основным инструментом для работы с
файлами и папками является Internet Explorer.

WindowsMillennium
была промежуточной версией, ознаменовавшей переход от поколения 9X к новому
поколению NT, которое разработало надежное разделение выполняемых под ним
программ, предотвращающее их «конкуренцию» за ресурсы и снижающее
вероятность «зависания».

Всего
несколько лет назад Windows XP была установлена практически на каждом
компьютере в мире. В настоящее время обновления этой версии больше не
выпускаются, и она уже давно уступила место более новым операционным системам.

WindowsVista,
выпущенная осенью 2006 года, ознаменовала переход с 32-битных систем на
64-битные. В Microsoft поняли, что многие говорили — Windows Vista, также
известная как Windows Millennium 2, — это просто розыгрыш, которого никто на
самом деле не хочет. Из-за медленной работы, высоких требований на момент
выпуска, с необычным пользовательским интерфейсом, который многие устройства не
замечают, Vista не могла быть интегрирована в среду операционных систем,
поэтому она была просто проигнорирована большинством компаний и пользователей.

В
настоящее время наиболее широко используемая версия Windows 7 сочетает в себе
преимущества, которые пользователи уже знают о предыдущих поколениях
операционных систем, такие как надежность, простота использования,
функциональность и качество.

Windows 10 — новейшая операционная система от корпорации Microsoft, которая, как ни странно, появилась сразу после предыдущей версии «вентиляторов» с номером 8.1. Впервые эта операционная система была представлена общественности в сентябре 2014 года, и компания пообещала выпустить финальный релиз из Редмонда в 2015 году. Windows 10 будет унифицирована для всех устройств, она будет поддерживаться не только на ноутбуках, но и на смартфонах, планшетах и даже телевизорах.

Интерфейс операционной системы остался знакомым, с одной стороны, но, с другой стороны, он приобрел некоторые новые полезные функции:

• Меню «Пуск» открывается щелчком по логотипу в левом нижнем углу рабочего стола. В левой колонке меню находятся ярлыки к последним запущенным приложениям, в правой колонке — плитки с универсальными приложениями. Меню также содержит кнопки управления производительностью и обновленную функцию поиска, которая позволяет осуществлять поиск не только в локальной системе, но и в Интернете.
• Универсальные окна приложений теперь запускают как классические настольные приложения, так и новые универсальные приложения в отдельном окне на рабочем столе.
• Усовершенствованная функция привязки облегчает и делает более удобной работу с несколькими приложениями одновременно. С помощью Snap вы можете открыть до 4 приложений на экране одновременно, и Windows расскажет вам, какие другие приложения запущены и как их разместить. Windows 10 помогает более эффективно использовать пространство экрана для других приложений.
• Пользователь может создавать несколько рабочих столов и размещать на них окна приложений. Они могут просматривать все созданные ими рабочие столы и переключаться между ними.
• В панели задач появилась новая кнопка «Просмотр задачи». При нажатии на него в свернутом виде появятся окна всех запущенных приложений.