Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика 2015

5. Системное программное обеспечение

5.1. Понятие об операционной системе

В детстве я долго ждал, когда прогреется кинескоп.

Теперь я жду, когда загрузится у телевизора операционная система.

Анекдот

Операционная система (ОС) — комплекс программ, предназначенных для управления устройствами, процессами, распределения аппаратных и программных ресурсов между процессами.

Под устройствами понимаются: компьютеры, сети, банкоматы, смартфоны, фотоаппараты, видеокамеры, часы, электронные книги, проигрыватели (плейеры), бытовая техника. В дальнейшем при рассмотрении операционных систем преимущественно будем говорить о ЭВМ.

Процесс (задача) — совокупность взаимосвязанных операций (действий), с помощью которых ЭВМ преобразует входные данные в выходные в соответствии с выбранным алгоритмом (программой). Одни процессы запускаются по инициативе пользователя, другие инициализируются ОС для выполнения своих функций. Процесс - это программа, запущенная на исполнение.

Ресурсы - аппаратные и программные средства ЭВМ, которые выделяются операционной системой процессу на шраничснный промежуток времени.

ОС распределяет имеющиеся ресурсы ЭВМ между процессами, скрывает от пользователей и программистов второстепенные детали, упрощает взаимодействие пользователя с устройствами. Так при записи файла на жёсткий диск ОС прячет от пользователя многие технические детали: пользователь не знает, на каких дорожках и секторах размещен сохранённый файл. При одновременной работе нескольких приложений пользователь не знает, какие конкретные ячейки оперативной памяти отданы каждому приложению.

При работе на ЭВМ пользователю приходится многократно выполнять типичные операции, которые одинаковы для многих приложений. К таким операциям относятся: запись, поиск, считывание, копирование, переименование, перемещение и удаление файлов. Операционная система позволяет упростить выполнение этих операций.

Так, например, чтобы считать файл с жесткою диска, ОС находит в таблице размещения файлов его описание, определяет, где он находится на жестком диске (определяет номер дорожки, сектор), перемещает считывающую головку в нужную позицию, считывает данные и записывает их в определенное место ОЗУ.

ОС стремится создать пользователю комфортные условия при выполнении типичных, часто повторяемых операций. Если говорить образно, то операционная система — это слуга, который заботится об удобствах своего хозяина-пользователя. Естественно, что такие положительные свойства ОС появились не сами собой. Они созданы кропотливым трудом инженеров и программистов.

Создание и совершенствование ОС происходило (и происходит) одновременно с изобретением новых аппаратных средств. Появление ручных манипуляторов (типа «мышь») и создание сенсорных экранов привело к появлению совершенно разных операционных систем. Системные программы и аппаратные средства модифицировались одновременно (параллельно), развивая друг- друга. Программисты первой ЭВМ «ЭНИАК» вводили в ОЗУ команды с помощью переключателей (коммутаторов). Для зафузки программы в бытовом компьютере «Радио-86» пользователь должен был вначале по слуху определить, где находится начало файла на магнитной ленте. Очевидно, что операционные системы мейнфреймов и ноутбуков - транс- формеров коренным образом отличаются друг от друга.

Перечислим основные функции операционных систем.

  • • Создание дружественного пользовательского интерфейса, позволяющего легко управлять работой ЭВМ.
  • • Распределение оперативной памяти и процессорною времени между

одновременно выполняемыми вычислительными процессами.

  • • Обеспечение многопроцессорности (одновременная работа нескольких процессоров).
  • • Поддержка работоспособности периферийных устройств.
  • • Обработка прерываний.
  • • Создание и поддержка файловой системы.
  • • Восстановление работоспособности ЭВМ при возникновении сбоев.
  • • Поддержка работы ЭВМ в локальных и глобальных сетях.
  • • Защита ЭВМ от злоумышленников (аутентификация, авторизация и

аудит).

  • • Распределение ресурсов ЭВМ в соответствии с приоритетом выполняемых процессов.
  • • Родительский контроль (защита детей от ознакомления с содержимым непристойных сайтов).

Рассмотрим термины, перечисленные в списке функций ОС. Пользовательский интерфейс - это совокупность правил, аппаратных и программных средств, с помощью которых пользователь управляет работой устройства.

На рисунке показаны пользовательские интерфейсы нескольких ОС. Цифрой 1 отмечена Windows 7, цифрой 2 - Windows 8, цифрой 3 - Android 4.3, цифрой 4 - ОС телевизионною приемника Samsung.

К пользовательскому интерфейсу относятся все устройства ввода информации. Пользовательский интерфейс (ПИ) определяет правила (способы), в соответствии с которыми происходит взаимодействие пользователя с компьютером (щелчок, двойной щелчок, прикосновение к сенсорному экрану, голосовой ввод, командная строка, наличие кнопок, папок, окон, меню, иконок, полос прокрутки и т.д.). ПИ является посредником (средой), через который человек взаимодействует с компьютером (операционной системой, прикладными и инструментальными программами). Пользовательский интерфейс определяет, какие действия нужно совершить пользователю, чтобы заставить ЭВМ выполнить необходимую операцию.

Файловая система - это организация данных в памяти ЭВМ и сети (облачная технология), определяющая место размещения, имя и атрибуты файла. В настоящее время наиболее распространенной является древовидная структура каталогов (папок).

Аутентификация — определение легальности пользователя (осуществляется с помощью пароля, смарт-карты, отпечатка папиллярных узоров пальцев, спектра голоса или рисунка радужной оболочки глаза).

Авторизация — предоставление пользователям определенных нрав доступа к ресурсам на основании аутентификации. Админист ратор локальной сети имеет полные нрава, а остальные пользователи - ограниченные.

Аудит — фиксация событий, имеющих отношение к безопасности системы.

Программы, написанные для решения практических задач, называют прикладными. Прикладными программами являются, например, текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, математические системы. Инструментальными программами считаются программы, предназначенные для разработки и отладки программного обеспечения. В качестве примеров инструментальных программ можно назвать компиляторы, интерпретаторы, отладчики. Системными называют программы, которые осуществляют организацию вычислительного процесса и распределение аппаратных и программных ресурсов ЭВМ (процессорного времени, оперативной памяти, дискового пространства и т.и.).

Каждая системная программа выполняет свою определенную функцию. Так, системные программы — утилиты — предназначены для выполнения часто повторяющихся операций, например, дефрагментация дисков, архивация файлов, поиск и удаление вирусов и г. д.

Драйверы — системные программы, обеспечивающие работу периферийных устройств (принтеров, дисплеев, ручных манипуляторов, сканеров и т. п.).

Операционные системы классифицируются следующим образом:

  • • но количеству одновременно работающих на одном компьютере пользователей на однопользовательские и многопользовательские ОС;
  • • по числу задач (процессов), одновременно выполняемых на ЭВМ, на однозадачные и многозадачные;
  • • по количеству используемых процессоров на однопроцессорные и многопроцессорные;
  • • по типу пользовательского интерфейса на командные (текстовые) и графические (GUI).
  • • по способу использования аппаратных и программных ресурсов на сетевые и локальные.

Главным отличием многопользовательских ОС от однопользовательских является наличие средств защиты каждого процесса от несанкционированного доступа других пользователей. Каждому процессу выделяется свой сегмент оперативной памяти.

В многозадачном режиме каждой задаче (процессу) поочередно выделяется какая-то доля процессорною времени. Поскольку доли процессорного времени, отводимые каждому процессу, малы, то у пользователя создастся впечатление одновременного выполнения сразу нескольких задач. Многозадачность позволяет, например, серверу одновременно обслуживать множество подключенных клиентов глобальной сети. В этом режиме процессор можно сравнить с жонглером, работающим с несколькими шарами.

Можно одновременно запустить на счёт математическую систему, включить принтер для печати текста, запустить проигрыватель музыкальных произведений, вести поиск вирусов и рисовать в графическом редакторе или раскладывать пасьянс. Заметить замедление работы ЭВМ удастся, пожалуй, лишь по «притормаживанию» воспроизведения видео- и аудиофайлов на компьютерах с «медленными» процессорами или недостаточной оперативной памятью.

Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность.

При работе ЭВМ одним из важнейших разделяемых ресурсов является процессорное время. Распределение процессорного времени между несколькими одновременно выполняемыми процессами может осуществляться двумя способами

При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех нор, пока он по собственной инициативе, нс отдаст управление операционной системе. После этого ОС выбирает из очереди другой готовый к выполнению процесс.

При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одной задачи на другую задачу принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Многозадачные ОС в соответствии с критериями эффективности подразделяются на три типа:

  • • системы пакетной обработки;
  • • системы разделения времени;
  • • системы реального времени.

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Именно за решение расчётных задач первые ЭВМ в шутку называли «цифрогрызами». Главной целью систем пакетной обработки является решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования.

В начале работы формируется пакет заданий (мультипрограммная смесь). В мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом данных. Выбор новою задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в вычислительной системе, т. е. выбирается «выгодные» для ОС задания. В системах с пакетной обработкой невозможно гарантировать выполнение конкретного задания в течение определенного периода времени, так как ОС самостоятельно определяет, какие задачи ей удобно выполня ть.

Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена ОС пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце рабочего дня получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы самого пользователя. Однако эффективность работы вычислительной системы повышается.

ОС разделения времени позволяю! исправить основной недостаток систем пакетной обработки — изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может управлять работой ЭВМ. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно малым, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и гой же ЭВМ, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Операционные системы разделения времени обладают меньшей производительностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» операционной системе, и, кроме того, имеются накладные расходы на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная скорость обработки информации, а удобство работы отдельною пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как конвейер, станок, робот, космический аппарат, научная экспериментальная установка, гальваническая линия, доменная печь, автомат для кон троля качества выпускаемой продукции и т. и. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом. Говорят так: «Система должна иметь гарантированное время реакции, т. е. задержка ответа не должна превышать определенного времени». В противном случае может произойти сбой: ракета пролетит мимо цели, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствова ть норме.

Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).

Наибольшую известность (каждая в своё время) получили следующие ОС: СР/М, DOS, OS/2, Windows, UNIX, Linux, MacOS, Android и iOS.

В качестве примера однопользовательских однозадачных ОС можно назвать СР/М, DOS, однопользовательских многозадачных ОС — OS/2, Windows. Операционная система UNIX является многопользовательской многозадачной ОС. Операционная система РАФОС является многопользовательской однозадачной.

Современные ОС содержат множество системных программ и по этой причине часто занимают в памяти больше места, чем прикладная программа, которая использует сервис, предоставляемый ОС.

Первоначальный успех ОС СР/М в значительной степени был обусловлен ее предельной простотой и компактностью. Первая версия занимала в памяти всего 4 Кбайта. Компактность была весьма важна в условиях малых объёмов памяти первых персональных ЭВМ (ПЭВМ). Данная ОС использовалась для работы на 8-разрядных ПЭВМ.

Операционная система MS-DOS являлась промышленным стандартом для 16-разрядных ЭВМ на основе микропроцессоров 8086...80486. Все иро- граммы MS-DOS хранятся на магнитных дисках, поэтому она называется дисковой операционной системой (Disk Operating System). Буквы MS являются сокращением названия фирмы-разработчика Microsoft Было выпущено несколько модификаций этой ОС, поэтому можно говорить о целом семействе операционных систем MS-DOS.

MS-DOS является командной (текстовой) ОС. Это означает, что для выполнения необходимых операций следует набрать с помощью клавиатуры соответствующую команду. Такой ввод неудобен и приводит к возникновению большою числа ошибок.

Семейство операционных систем OS/2 (Operating System/2) позволяет организовать параллельную работу нескольких прикладных программ. Операционная система работает в режиме вытесняющей многозадачности. При этом система жестко выделяет определенное время для работы каждого приложения.

Достоинством операционных систем семейства MS Windows является унифицированный пользовательский интерфейс (оболочка), благодаря которому в различных программах сохраняются сходные принципы управления их работой. Эта ОС обеспечивает возможность выполнения одновременно нескольких задач. При этом элементы управления работающей программы размещаются в отдельной прямоугольной области, которая называется окном.

Окна можно перемещать но экрану, изменять размеры, накладывать друг на друга или уменьшать до размера фафического значка (пиктограммы

или ярлыка).

Унификация оболочек программ, работающих под управлением этой ОС, значительно упрощает освоение новых программ. Например, нажатие клавиши F1 вызывает помощь, а одновременное нажатие клавиш Alt и F4 приводит к завершению (закрытию) работы приложения. Назначение многих кнопок пользовательского интерфейса интуитивно понятно благодаря выразительному ipa-

фическому обозначению.

При создании операционных систем семейства MS Windows фирма Microsoft использовала объектно-ориентированный подход. Объектно- ориентированный подход выражается в том, что пользовательский интерфейс представляет собой имитацию реальною мира (например, использована метафора рабочего стола). Работа с ЭВМ напоминает работу с часто используемыми в быту предметами. Так, панки можно открывать, закрывать, перемещать по рабочему столу, а документы - просматривать, исправлять, перекладывать с одного места на другое, выбрасывать в корзину. В электронных книгах и статьях допустимо делать закладки, рукописные пометки. На рабочем столе можно размещать записки, часы, календарь.

В ОС MS Windows заложен принцип — Plug and Play (вставь и шрай, точнее, подключи и используй). Он позволяет без ручной настройки подключать новые устройства к ЭВМ, например, принтер, сканер или внешний жёсткий диск. Операционная система, поддерживающая этот принцип, автоматически подбирает драйвер, необходимый для работы новою подключенного к ЭВМ устройства.

В MS Windows используется технология Drag and Drop (перетащи и положи). Благодаря технологии Drag and Drop легко изменить положение любого окна и его размеры. Для удаления некоторого документа но этой технологии достаточно с помощью мыши взять пиктограмму (компактное 1рафическое изображение приложения) и, перетащив, положить её поверх мусорной корзины. Аналогично запускается музыкальное произведение: графическое изображение файла нужно положить поверх графического изображения проигрывателя.

На рисунке показаны три пиктограммы и два ярлыка (на ярлыках присутствует изображение стрелки). С помощью пиктограмм и ярлыков легко запускать программы на выполнение. Пиктограммы и ярлыки принято называть общим термином «значки».

В ОС MS Windows можно составлять документы из частей, которые готовятся в различных приложениях. Для связывания и внедрения документов используется технология OLE (Object Linking and Embedding), что означает «связывание и внедрение объектов».

В документ, подготовленный в текстовом редакторе, можно вставить рисунок, созданный в графическом редакторе. При этом достаточно дважды щелкнуть мышью по рисунку, чтобы вызвать графический редактор и сделать нужные исправления. Создается впечатление, что текстовый редактор снабжен дополнительными возможностями графического редактора.

Главными отличительными чертами операционных систем семейства UNIX является их модульность, легкая переносимость на другие типы ЭВМ и обширный набор системных программ, которые позволяют- создать благоприятную обстановку для системных программистов, т. е. для тех специалистов, основной задачей которых является разработка новых системных нро- грамм. Данная ОС органически сочетается с языком Си, на котором написана основная часть модулей. Операционная система UNIX давно побила все рекорды долголетия.

Система была разработана в 1969 г. и быстро завоевала большую популярность, особенно среди телефонных компаний, поскольку обеспечивала работу в сети в режиме диалога и в реальном масштабе времени. Авторами UNIX являются Кен Томпсон (Ken Thompson) и Дэннис Ричи (Dennis М. Ritchie).

К началу 1984 г. система UNIX была инсталлирована (т. е. установлена) приблизительно на 100 000 машинах по всему миру, причем на машинах разных изготовителей с широким диапазоном вычислительных возможностей — от микропроцессоров до больших ЭВМ.

Популярность и успех системы UNIX объясняется несколькими причинами:

  • — система написана на языке высокого уровня, благодаря чему её легко читать, понимать, изменять и переносить на ЭВМ другог о типа;
  • — система является многопользовательской, многозадачной;
  • — архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен процесс написания программ, работающих при различных конфигурациях аппаратных средств.

Классическая ОС UNIX дала жизнь многочисленным своим потомкам, число которых превышает несколько десятков. В начале 80-х годов XX века велись работы но созданию отечественной ОС в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (КИАЭ). В шутку диалект КИАЭ получил название УН АС (в противовес UNIX, т. е. У НИХ).

В настоящее время интенсивно развивается бесплатная (некоммерческая) операционная система Linux. Она становится основным конкурентом для платных ОС семейства MS Windows. Ядро операционной системы Linux написано под влиянием ОС UNIX. Появилась ОС в 1991 году, её автором стал финн Линус Торвальдс. Достоинством этой ОС является ее открытость и свободное распространение. Большое число энтузиастов постоянно работают над совершенствованием Linux, поэтому существует множество модификаций этой ОС.

Сетевые операционные системы предназначены для эффективного решения задач распределенной обработки данных. Такая обработка ведется не на отдельном компьютере, а на нескольких компьютерах, объединенных сетью. Сетевые операционные системы поддерживаю; распределенное выполнение процессов, их взаимодействие, обмен данными между ЭВМ, доступ пользователей к общим ресурсам и другие функции, которые превращают распределенную в пространстве вычислительную систему в целостную многопользовательскую систему.

Сетевые ОС имеют развитые средства обеспечения безопасности работы (разграничение вычислительных ресурсов, ограничение полномочий).

Сетевая ОС должна обеспечить обмен сообщениями ио линиям связи между разнесенными в пространстве компьютерами. Для автономных ЭВМ такая функция ОС не требуется. Сетевая ОС должна предоставлять пользователю возможность параллельной работы нескольких ЭВМ для решения объемных вычислительных задач (например, для взлома шифра).

Перечислим популярные сетевые операционные системы:

Novell NetWare, LANtastic, Microsoft Windows NT, UNIX, Linux, Solaris, FreeBSD. В приведенном списке ОС встречаются названия систем, которые устанавливаются на автономные компьютеры. Для пояснения этого факта сделаем два замечания.

  • 1. Все современные ОС имеют средства для работы с локальными и глобальными сетями.
  • 2. Сетевые ОС отличаются от остальных систем большей долей программного обеспечения, предназначенного для работы в сетях.

Все сетевые операционные системы делятся на две группы: одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами.

В одноранговых сетях каждая ЭВМ может выполнять как функции сервера, так и рабочей станции. В сетях с выделенными серверами роли расписаны более жестко: рабочие станции не предоставляют свои ресурсы для других ЭВМ. Услуги предоставляют только серверы.

Операционная система UNIX одна из старейших ОС. В настоящее время регулярно появляются новые ОС, многие из которых являются потомками UNIX. Эти ОС разработаны для современных гаджетов (смартфонов, коммуникаторов, планшетных компьютеров, электронных книг, цифровых проигрывателей, наручных часов и т.п.).

Перечислим наиболее распрос траненные ОС:

Google Android, Apple iOS, Bada, Microsoft Windows, Symbian, BlackBeny OS.

У всех ОС есть свои особенности, но есть и одинаковые свойства. Например, в зависимости от ориентации устройства в пространстве происходит автоматический поворот изображения на дисплее из портретного формата в альбомный (и наоборот). Сигналы управления возникают при прикосновении к сенсорному экрану пальца или стилуса. ОС поддерживают работу многоядерпых процессоров, GPS, Bluetooth. Многие приложения практически одинаковы во всех ОС (часы с будильником, радиоприемник, фотоаппарат, видеокамера, диктофон, reoipa- фические карты, голосовой ввод команд и т.п.).

Android — портативная операционная система, основанная на ядре Linux. С июля 2005

года ОС Android принадлежит компании Google.

Операционная система установлена на большом числе разнообразных устройств. По этой причине разработчикам сложно осуществить тестирование новых приложений для всех разновидностей аппаратуры (девайсов). Нередки случаи некорректной работы новых программ.

Операционная система iOS предназначена для устройств фирмы Apple. Она появилась в 2007 году.

Передаваемые с помощью ОС сообщения шифруются, а пароли и логины хранятся в памяти в зашифрованном виде. Сведения о местоположении владельца гаджета сообщаются только с разрешения пользователя. Приложения для этой ОС характеризуются хорошей проработкой и высокой надёжностью. Под управлением этой ОС работают планшетные ЭВМ (iPad), смартфоны (iPhone), плееры (iPod).

Мобильные операционные системы MS Window фирмы Microsoft набирают популярность. Недавно разработана операционная система Windows 8.1, которая ориентирована на «плиточный» интерфейс. Для смартфонов создана ОС Windows Phone. Число приложений, работающих под этими операционными системами значительно меньше числа приложений для ОС Android и iOS, и многие из них платные.

ОС Symbian разработана в конце 20-то века и предназначена для смартфонов и коммуникаторов. Система постепенно теряет свои позиции на рынке. Операционная система BlackBerry OS предназначена для смартфонов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы