Операционные системы. 
Информатика для экономистов

Рассмотрим подробнее функции и типы современных операционных систем.

Основными функциями современных ОС являются:

• • загрузка приложений в оперативную память и их выполнение;
• • стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройствам ввода-вывода);
• • управление оперативной памятью (распределение времени между процессами, создание виртуальной памяти);
• • управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т. д.);
• • пользовательский интерфейс;
• • сетевые операции, поддержка сетевых протоколов.

Дополнительными функциями ОС являются:

• • параллельное выполнение задач (многозадачность);
• • взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация;
• • защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей или приложений;
• • разграничение нрав доступа и многопользовательский режим работы (авторизация).

Предшественниками ОС были служебные программы (загрузчики), а также библиотеки часто используемых программ. Их начали разрабатывать в связи с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940;х гг.). Служебные программы должны были облегчить взаимодействие оператора с техническими средствами, а использование библиотек служебных подпрограмм избавило бы от многократного программирования одних и тех же процессов (операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

Современная ОС любого компьютера (мейнфрейма или ПК) — очень большая программа. Поэтому в оперативной памяти всегда хранится лишь часть ОС, называемая ядром (kernel). Бо? льшая же часть ОС хранится на жестком диске. Когда какая-либо часть операционной системы необходима для выполнения данного приложения, эта часть загружается с жесткого диска в ОЗУ. Диск, на котором хранится операционная система, называется системным (system disk).

Одновременно с этим существуют средства вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях, сотовых телефонах и т. п. Такой микрокомпьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся при включении. Простые игровые приставки, также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры, могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. Некоторые микрокомпьютеры и игровые приставки работают иод управлением собственных ОС.

Одна из основных обязанностей операционной системы — обеспечивать и поддерживать диалог пользователя с компьютером, что достигается с помощью пользовательского интерфейса. Интерфейс пользователя — это средства взаимодействия компьютера с пользователем.

У прошлых операционных систем, таких как DOS, интерфейс был реализован на базе командной строки. Для выполнения какой-либо операции пользователю нужно было набирать в командной строке соответствующие команды. Поскольку пользователю необходимо выполнять разные действия с программами и документами, требовалось помнить множество различных команд.

Современные операционные системы обладают графическим пользовательским интерфейсом (Graphical User Interface, GUI). Каждый объект системы, будь то документ или программа, отображается графическим символом, называемым пиктограммой или значком (icon). Сложный набор команд может быть выполнен несколькими щелчками мыши по пиктограммам. Графический пользовательский интерфейс помогает пользователю работать в многозадачном режиме, так как каждая запущенная программа отображается на экране в отдельной области — окне (window). Чтобы перейти из одного запущенного приложения в другое, достаточно просто щелкнуть мышью по любой части окна нужной программы. Многие графические пользовательские интерфейсы, чтобы облегчить пользователю ввод команд и данных, используют систему всплывающих экранных меню (pull-down menu) и дополнительные диалоговые окна. Графический пользовательский интерфейс позволяет выполнять основные операции, такие как получение помощи, сохранение или печать документов, одним и тем же способом в любом приложении. Даже работа с сетями может полностью вестись через графический пользовательский интерфейс.

Уже в 1950—1960;х гг. были сформированы и реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Рассмотрим основные функциональные свойства современных ОС, такие как многозадачность, многопоточность, виртуальная память и симметричная многопроцессорная обработка.

Многозадачность — это механизм, позволяющий выполнять на компьютере несколько задач. В системах с поддержкой многозадачности компьютер используется более эффективно благодаря возможности одновременной загрузки в память не одной, а нескольких программ. В зависимости.

Рис. 5.3. Система без поддержки многозадачности.

от типа компьютера применяется несколько подо в реализации этого механизма.

Как показано на рис. 5.3, система без поддержки многозадачности может выполнять только одно приложение в определенный момент времени. Такой режим работы компьютера не позволяет полностью использовать все его ресурсы — процессор недогружен, бо? льшая часть оперативной памяти остается свободной, периферийные устройства находятся в ожидании команд ввода или вывода информации. В случае же реализации механизма многозадачности (рис. 5.4) можно запустить некоторое множество приложений. Самое важное при реализации этого механизма — не допустить приложениям одновременно претендовать на одни и те же ресурсы компьютера, например на центральный процессор, оперативную память или периферийные устройства. В случае многозадачности для оперативной памяти применяется разделение ее адресного пространства на отдельные непересекающиеся области и выделение таких областей каждому запущенному приложению. Таким образом, получается, что каждая отдельная программа работает в отведенном ей месте памяти и не конфликтует с другими программами. С раз;

Рис. 5.4. Система с поддержкой многозадачности.

делением ресурсов процессора дело обстоит иначе, так как процессор может выполнять только одну операцию за цикл. Чтобы программы, находящиеся в ОЗУ, могли выполняться практически одновременно, процессор переключается с одной программы на другую. При этом на выполнение каждой из них выделяется определенный квант времени работы процессора (около двух миллисекунд). Интервал времени ничтожно мал, так как процессор работает на уровне наносекунд и за две миллисекунды успевает произвести множество операций. Для пользователя незаметно, что компьютер обрабатывает все программы по очереди. В результате создается видимость, что все запущенные приложения выполняются одновременно. Помимо этого, каждой программе (приложению) назначается приоритет. Команды приложений с более высоким приоритетом обрабатываются в первую очередь. В случае равного приоритета приложения выполняются в порядке очередности. Благодаря многозадачности можно, например, запустить веб-браузер, а пока модем выполняет операцию соединения с провайдером услуг Интернета, отредактировать или распечатать отчет, выданный сервером баз данных. Обычно программе, обрабатывающей вывод данных на печать, присваивается более низкий приоритет, чем редактору электронной почты. Таким образом, операционная система решает, какие ресурсы компьютера будут использованы, какие программы будут запущены и в каком порядке будут следовать эти и другие операции.

Многопоточность — механизм, по основным принципам схожий с многозадачностью. В целях более эффективного использования ресурсов компьютера некоторые задачи делятся на отдельные потоки, каждому из которых также назначается приоритет и выделяется интервал процессорного времени. В некоторых операционных системах такие процессы получили название нитей. Благодаря многопоточности можно в одном приложении, например в мультимедийном графическом редакторе, одновременно обрабатывать один объект, производить расчет траектории движения другого объекта и распечатывать третий. Многопоточность широко используется для печати. Чтобы не ждать, пока приложение обработает задание на печать, этот процесс выполняется в так называемом фоновом режиме.

Виртуальная память позволяет выделить часть дополнительной памяти на жестком диске, чтобы в дальнейшем система рассматривала эту часть как продолжение оперативной памяти. В результате компьютер может адресовать больше памяти. Применение этого механизма, так же как и механизма многозадачности и многопоточности, позволяет добиться существенного повышения эффективности работы компьютера. Из-за того что размер оперативной памяти ограничен, часть программного кода каждой из программ записывается на жесткий диск, освобождая таким образом оперативную память для других программ. Однако следует помнить, что жесткие диски намного медленнее ОЗУ, поэтому для эффективной работы компьютера размер оперативной памяти должен быть достаточно большим.

Симметричная многопроцессорная обработка (Symmetric Multi Processing, SMP) — это способность операционной системы работать с компьютером, в котором установлены два и более процессора. Операционная система в данном случае должна контролировать балансировку нагрузки, чтобы обеспечить работу каждому из процессоров. Механизм SMP может использоваться при выполнении как одной программы, так и нескольких приложений — в любом случае нагрузка распределяется равномерно.

Благодаря реализации вышеописанных идей решаются следующие основные задачи ОС.

Распределение (allocates) и назначение (assigns) ресурсов компьютера. Операционная система распределяет ресурсы компьютера между приложениями, находящимися в очереди на исполнение. Например, в число задач операционной системы входит выделение отдельной области памяти каждому запущенному приложению и необходимым ему данным, а также управление устройствами ввода-вывода (клавиатурой, принтером, монитором, сетевой картой и т. п.).

Планирование (schedules) и использование ресурсов компьютера во время исполнения задач. Задача ОС — скоординировать работу всех компонентов компьютера так, чтобы все приложения выполнялись как можно быстрее и эффективнее. Для этого операционной системе необходимо осуществлять планирование использования различных ресурсов компьютера (прежде всего, ЦП, ОЗУ и жесткого диска). Как правило, каждой задаче присваивается приоритет выполнения, в соответствии с которым и осуществляется планирование.

Осуществление текущего контроля (monitoring) работы компьютера. ОС контролирует работу компьютера, отслеживает стадии выполнения каждой задачи, может вести журнал учета использования компьютера. Например, ОС отслеживает, какие программы были запущены, наблюдались ли случаи несанкционированного использования программ или данных и др.