Функционирование электронно-вычислительных машин невозможно без координирующих программ. Современный компьютер объединяет целый ряд разных устройств, для слаженной работы которых необходим центр управления. Например, видеокарта обрабатывает изображения, центральный процессор проводит вычисления, монитор отображает информацию, привод считывает данные с компакт-диска и т.д. Такими координаторами и управляющими, согласующими функционирование всех узлов и комплектующих, являются операционные системы.

Для дополнительной иллюстрации функции операционной системы можно сравнить аппаратные комплектующие компьютера с телом, управляющий комплекс – с мозгом и нервной системой. Операционная система задействована во всех процессах компьютера и обеспечивает взаимодействие массивов данных на уровне вычислений, вычислительных программ и аппаратных компонентов, а также пользователя и программного приложения.

Все современные интерфейсы являются графическими решениями и разработаны так, чтобы пользователь интуитивно понимал алгоритм взаимодействия. Различают три основных категории таких решений: категория реального времени, категория с разделением и категория пакетных задач. Системы первой категории допускают участие пользователя в процессе вычислений. Решения категории с разделением предполагает переключение процессора от выполнения одной задачи к выполнению другой. Такое быстрое переключение позволяет обрабатывать несколько заданий в режиме виртуальной непрерывности. При этом пользователь также может вмешаться в процесс. В решениях последней категории доступ пользователя к процессам запрещен. Компьютер самостоятельно формирует перечень заданий и отправляет их пакетами на вычисление. Вносить изменения в данные можно лишь в промежутках между отправками таких пакетов.

Графический интерфейс

Пользователь вводит свои команды для системы с помощью графических символов – пиктограмм. Собственно, весь интерфейс и представляет собой набор графических символов, формирующих понятную для человеческого восприятия систему управления. Все современные операционные системы являются графическими решениями, и их популярность напрямую зависит от того, насколько легки они в управлении.

Безусловно, существуют операционные системы с текстовым вводом подобно тем, которые существовали на заре приборостроения. Но такие системы используются, в основном, для узкоспециализированных применений и, как правило, в промышленности и научных исследованиях. То есть в тех случаях, когда пользователь является экспертом и готов к освоению специальных инструментов.

Существуют информационные системы, для которых ОС не нужны . Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И 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. Тем не менее, некоторые микрокомпьютеры и игровые приставки всё же работают под управлением особых собственных ОС. В большинстве случаев, это UNIX-подобные системы (последнее особенно верно в отношении программируемого коммутационного оборудования: файрволов, маршрутизаторов).

Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:

§ вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы . Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

§ различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., 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, ОС 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, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);

§ наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых - оболочка и набор стандартных утилит - является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы).

Таким образом, современные универсальные ОС можно охарактеризовать как:

Использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным);

Многопользовательские (с разделением полномочий);

Многозадачные (например, с разделением времени центрального процессора).

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

§ сетевую подсистему, файловую систему;

§ системные библиотеки и

§ оболочку с утилитами.

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

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

Цель и свойства операционной системы

Операционная система не может предоставить всего всем!

Важнейшая цель - предоставить пользователю возможность осуществлять решение вычислительных задач или задач по обработке данных.

Надежность . Система должна быть также надежна, как и аппаратура, на которой она работает. Она должна быть в состоянии производить определение и диагностирование ошибок, а также восстановление после большинства характерных ошибок, произошедших по вине пользователя. ОС должна защищать пользователей от их же собственных ошибок или, по крайней мере, минимизировать вред, который они могут оказать на все окружение.

Предсказуемость . Система должна отвечать на запросы пользователей предсказуемым образом. Время, необходимое для выполнения программ пользователя, не должно варьироваться слишком сильно. Результат выполнения команд пользователя должен быть одним и тем же вне зависимости от последовательности, в которой эти команды посылаются на исполнение (при соблюдении установленных в системе правил).

Защита. Система должна защищать выполняющие задачи пользователей от взаимного влияния друг на друга. Она должна минимизировать возможность порчи программ и данных одного пользователя другим пользователем. До некоторой степени система должна защищать как себя, так и пользователя от ошибок, сделанных пользователями.

Удобство. Система предлагается пользователям потому, что она немного облегчает их работу и освобождает от бремени задач по распределению и управлению ресурсами. Так как пользователь контактирует с ОС, она должна быть спроектирована с учетом основных факторов человеческой психологии

Эффективность. При распределении ресурсов система должна быть в достаточной степени эффективной. ОС должна максимально повысить использование системных ресурсов пользователями. Сама система не должна использовать большое количество ресурсов, так как эти ресурсы становятся недоступными для удовлетворения запросов пользователей

Общие системные услуги. Система обеспечивает пользователя именно тем обслуживанием, которое ему нужно. Пользователь не должен оказаться в невыгодном положении из-за того, что он не воспользовался дополнительными возможностями системных услуг, если они не подходящие для задачи. В то же время, если обслуживание системы не обеспечено возможностями, предоставляющими пользователю средства для выполнения необходимой ему работы, то такая система неприемлема

Гибкость. Системные операции могут настраиваться для согласования с поведением пользователя. Ресурсы могут быть увеличены (уменьшены) для того, чтобы улучшить эффективность и доступность

Расширяемость. В процессе эволюции к ОС могут добавляться новые средства. Так как пользователь нуждается в изменениях, никакое прикладное окружение не является статическим. Следовательно, для того чтобы оставаться жизнеспособным инструментом, должна изменяться также и ОС.

Ясность. Пользователь может оставаться в блаженном неведении относительно вещей, существующих ниже уровня интерфейсной системы. В то же время он должен иметь возможность узнать о системе столько, сколько он хочет. Большинство пользователей предпочитают золотую середину между этими крайностями

Ресурсы, находящиеся под управлением ОС. Основная причина существования ОС - задачи по распределению различных ресурсов и задачи по управлению этими ресурсами. Цель управления ресурсами - добиться эффективного использования ресурсов пользователями, а также для освобождения пользователей от бремени задач по оперированию ресурсами.

1. Процессорное время. Наиболее важный ресурс. Без его использования не могут быть время произведены никакие вычисления. Самая простая стратегия - дать возможность одному пользователю иметь доступ к машине до тех пор, пока не выполнится его задача.

2. Память . После процессорного времени - самый дефицитный ресурс. Основная стратегия - уменьшать пустые пространства памяти, возникающие из-за того, что различные программы имеют различные объемы и особенности.

3. Периферийные устройства. С большинством из периферийных устройств (ПУ) может одновременно работать только один пользователь. Для некоторых устройств общего назначения (принтеры) такая работа приводит к неэффективному их использованию. Для устройств с быстрым доступом существуют механизмы разделения. Например, для дисков - спулинг (системная программа параллельной печати).

4. Ресурсы мат. обеспечения. Это сервисные программы по управлению файлами, по обслуживанию ввода-вывода, программы планирования, утилиты и др. Наиболее известный метод, позволяющий пользователям иметь доступ к ресурсам, заключается в том, чтобы сделать все программы повторно входимыми (реентерабельными). Это намного лучше, чем иметь многочисленные копии.

Базовое системное программное обеспечение

В базовое программное обеспечение входят:

· операционная система (ОС);

· операционные оболочки (текстовые и графические);

· сетевая операционная система.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

В секторе программного обеспечения и операционных систем ведущее положение занимают системы семейства MS Windows. Рассмотрим наиболее распространенные типы опе­рационных систем.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

· одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);

· одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);

· непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.

Сетевые операционные системы - комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах.

Операционные оболочки - специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.

Наиболее популярны следующие виды текстовых оболочек операционной системы: Total Commander, Windows Commander и др.

Рассмотрим подробнее операционную систему.

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем.

Операционная система выполняет следующие функции:

· управление работой каждого блока персонального компьютера и их взаимодействием;

· управление выполнением программ;

· организацию хранения информации во внешней памяти;

· взаимодействие пользователя с компьютером, т.е. поддержку интерфейса пользователя.

Обычно операционная система хранится на жестком диске, а при его отсутствии выделяется специальный диск, который называется системным. При включении компьютера операционная система автоматически загружается с диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. Операционная система создается не для отдельной модели компьютера, а для серии компьютеров, в структуре которых заложена и развивается во всех последующих моделях определенная концепция.

В основе любой операционной системы лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в операционной системе принцип организации хранения логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов.

Файл - логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл служит учетной единицей информации в операционной системе. Любые действия с информацией осуществляются над файлами.

В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи, числа, программы, таблицы и т.п. Особенности конкретных файлов определяются их форматом. Под форматом понимается элемент языка, в символическом виде описывающий представление информации в файле.

Для характеристики файла используются следующие параметры:

· полное имя файла;

· объем файла в байтах;

· дата и время создания файла;

· специальные атрибуты файла: только для чтения, скрытый, системный, архивированный.

5.1. Для чего предназначена операционная система

Компьютер – это сложное устройство, состоящее из большого количества комплектующих. Сам он ничего не делает; чтобы заставить его работать, необходима программа, представляющая собой набор процессорных команд, – операционная система.

Главными составляющими ОС являются ядро, системные утилиты, драйверы и графическая оболочка. Каждый программный элемент выполняет свою функцию и следит, чтобы сохранялась стабильность работы операционной системы в целом.

Современные операционные системы являются многозадачными, то есть пользователь может запускать одновременно несколько приложений, наблюдая результат выполнения каждой из них. Это возможно благодаря конструкции ОС и функциональности современных процессоров – не зря операционные системы пишутся для процессора, а не наоборот. Современный процессор представляет собой не одноядерное, а двухъядерное и даже четырехъядерное решение, что увеличивает его производительность во много раз. Этим пользуется операционная система, оптимально распределяя ресурсы процессора между всеми запущенными процессами.

Главными характеристиками операционной системы являются стабильность ее работы и устойчивость к различным угрозам – внешним (вирусам) и внутренним (аппаратным сбоям и конфликтам). Сегодня выпускается два типа операционных систем – серверные и однопользовательские. Первые представляют собой серьезную программную реализацию, поскольку содержат механизмы, с помощью которых контролируются отношения и поддерживается локальная сеть. Вторые – облегченные, могут работать как автономно, так и в составе сети, подчиняясь ее правилам.