Операционные системы

Операционная система (ОС) – резидентная программа, автоматически запускающаяся после включения питания, управляющая работой всех устройств компьютера, осуществляющая диалог с пользователем и выполнение его команд, запускающая на исполнение другие программы.

После того, как включено питание на экране дисплея одна за другой появляются различные надписи, мигают цифры – это идет процесс загрузки операционной системы. Только после того, как он закончится, работа на компьютере станет возможной.

Операционная система играет роль посредника между человеком и машиной:

Без операционной системы работа на компьютере невозможна. Как уже отмечалось, если операционная система не создаёт пользователю удобных условий работы, между ней и человеком возможно существование еще одного посредника – программы-оболочки:

Назначение операционной системы состоит также в том, чтобы скрыть от пользователя ненужные ему подробности работы. На самом деле любая команда пользователя состоит из десятков и сотен мелких команд. Например, чтобы считать с диска информацию, нужно включить двигатель, вращающий диск, повернуть диск, включить двигатель, перемещающий головку, переместить ее к нужному сектору диска, опустить ее на диск, и т.д. Понятно, что пользователю знать всех этих и других подробностей не нужно. Эти функции берет на себя операционная система.

Операционные системы (MS-DOS и WINDOWS) состоят из двух частей. Первая часть – базовая система ввода и вывода – BIOS (англ. Basic Input-Output System) размещается в постоянном запоминающем устройстве. Вторая – основная часть операционнойсистемы, представляет собой набор программ, находящихся на одном из дисков, называемом системным.

Основная часть операционной системы заранее записывается на жёсткий диск, входящий конструктивно в состав системного блока компьютера (»винчестер»). При включении питания её программные модули переписываются на «винчестер» и далее работа компьютера идёт под управлением ОС. Эта процедура называется загрузкой.

BIOS обеспечивает считывание с диска основной части операционной системы. Действительно, после включения питания компьютер должен "знать", что ему делать дальше. Эта информация и записана в BIOS. В частности, там содержатся команды по считыванию с диска остальной части операционной системы. Если бы вся операционная система была записана на диске, её невозможно было бы оттуда считать, загрузить в оперативную память, а значит и запустить компьютер.

Причина очевидна – ведь операционная система сама и обеспечивает работу с устройствами компьютера, включая диски, а значит и считывание информации с них. Размещение операционной системы на диске целиком было бы похоже на следующую ситуацию: сейф захлопнут, а ключи от него остались внутри. Очевидно, ключи от сейфа нужно оставить снаружи. Их роль и играет BIOS.

Почему же операционная система не размещается в постоянном запоминающем устройстве целиком? Операционные системы, особенно последние разработки, достаточно громоздкие программы. Их размещение в постоянном запоминающем устройстве целиком привело бы к необходимости увеличения объема ПЗУ и, следовательно, к удорожанию компьютера. Кстати, в компьютерах Macintosh фирмы Apple сделано именно так.

Базовыми понятиями операционных систем являются понятия процесса, памяти и файла. Процессом называют программу в момент её выполнения. С каждым процессом связано его адресное пространство, т. е. список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и её стек. Вся информация о процессе хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой связанный список структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс. Информация из таблицы процессов используется ОС для прерывания, остановки и повторного запуска какого-нибудь процесса.

Всякая ОС осуществляет модель последовательных процессов, т. е. работа всех программ и частей персонального компьютера организована в виде набора последовательных процессов. Например, процессом является выполняемая программа. ЭВМ может одновременно выполнять несколько операций, например, чтение с диска и вывод текста на экран монитора или принтер. В многозадачной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом создается иллюзия параллельной работы всех программ. Если центральный процессор один, то речь идет о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах. На самом деле ЦП переключается с процесса на процесс. Это переключение называется многозадачностью или мультипрограммированием.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере, необходимости. Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимодействие с пользователем и выполняют заданную работу, остальные являются фоновыми и выполняют особые функции, не связанные с данным пользователем.

Операционная система управляет памятью ЭВМ. Если в памяти хранится несколько программ, то для того, чтобы они не мешали друг другу, необходим защитный механизм. Кроме того, ОС управляет адресным пространством процессов. Если адресное пространство какого-нибудь процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, то ОС хранит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами по мере необходимости. Эта функция — управление памятью процессов.

Память в компьютере имеет иерархическую структуру. Небольшая её часть находящаяся прямо в центральном процессоре, представляет собой очень быструю энергозависимую кэш-память. Далее идет более обширная энергозависимая оперативная память— ОЗУ (RAM), следующая ступень иерархии — медленная энергонезависимая память на жёстких дисках (ПЗУ), объем которой может достигать сотен гигабайт.

Часть операционной системы, отвечающая за управление памятью, называется модулем управления памяти или менеджером памяти. Этот модуль следит за использованием памяти, выделяет её процессам, освобождает ресурсы, управляет обменом между ОЗУ и диском. Системы управления памятью делятся на два класса. К первому относятся системы, перемещающие процессы во время их выполнения между оперативной памятью и диском, т. е. осуществляющие подкачку процессов целиком или постранично. Ко второму классу относятся системы, которые этого не делают.

Вся информация хранится в файловой системе. Эта система виртуально поддерживается всеми ОС. Об этом подробнее ниже.

Одной из важнейших функций ОС является управление вводом-выводом. Её задача – обеспечить простой и надёжный интерфейс между устройствами ввода-вывода и остальной частью системы. Программа, управляющая работой устройств ввода-вывода, называется драйвером. Существуют драйверы памяти, дисплея, клавиатуры, принтера и других устройств. Драйверы входят в состав ОС. Они обрабатывают запросы чтения и записи, инициализируют устройства, управляют энергопотреблением, регистрируют события и т. д, именно в драйвере определяется последовательность команд по выполнении необходимого действия.

На сегодняшний день самой распространёнными в мире являются операционные системы семейства Windows корпорации Microsoft. В 1981 году корпорация Microsoft оснастила первый персональный компьютер фирмы IBM 16-разрядной однопользовательской операционной системой реального времени с командной строкой MS-DOS 1.0. Эта ОС в дальнейшем развивалась, у неё появлялось много новых функций, но она оставалась системой командной строки. Затем фирма Microsoft решила добавить к ОС MS-DOS графический интерфейс, который был назван Windows. С 1985 по 1995 годы было выпущено несколько версий Windows, но ни одна из них не была настоящей операционной системой. Машиной и графикой управляла по-прежнему MS-DOS, a Windows исполняла роль графического интерфейса поверх MS-DOS. В 1995 году появилась Windows 95 – первая полноценная графическая ОС семейства Windows. Она обладала большинством особенностей монолитной операционной системы, но продолжала использовать файловую систему MS-DOS. В 1993 году была выпущена первая версия Windows NT (New Technology) – Windows NT 3.1. В 1999 году очередная версия Windows NT была переименована в Windows 2000 в основном в коммерческих целях. Продолжение совершенствования ОС Windows привело в 2002 году к созданию Windows XP. Следующим программным продуктом, совершенствующим ОС серии Windows является ОС Windows Vista. Дальнейшая модернизация ОС типа Windows разрабатывается под именем Windows 7. предположительный выпуск этой системы намечен на 2010 год.