• Состав операционной системы и назначение компонентов

    Операционная система: назначение и состав

    На IBM-совместимых персональных компьютерах используются операционные системы корпорации Microsoft Windows 9х/МЕ, свободно распространяемая операционная система Linux. На персональных компьютерах фирмы Apple используются различные версии операционной системы Mac OS. На рабочих станциях и серверах наибольшее распространение получили операционные системы Windows NT/2000/XP и UNIX.

    Операционные системы разные, но их назначение и функции одинаковые. Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

    Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.

    Современные операционные системы имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером.

    Управление файловой системой. Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В операционной системе имеются программные модули, управляющие файловой системой .

    Командный процессор. В состав операционной системы входит специальная программа - командный процессор , - которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их.

    Пользователь может дать команду запуска программы, выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), вывода документа на печать и так далее. Операционная система должна эту команду выполнить.

    Драйверы устройств. К магистрали компьютера подключаются различные устройства (дисководы, монитор, клавиатура, мышь, принтер и др.). Каждое устройство выполняет определенную функцию (ввод информации, хранение информации, вывод информации), при этом техническая реализация устройств существенно различается.

    В состав операционной системы входят драйверы устройств , специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами, а также позволяют производить настройку некоторых параметров устройств. Каждому устройству соответствует свой драйвер.

    Технология "Plug and Play" (подключи и играй) позволяет автоматизировать подключение к компьютеру новых устройств и обеспечивает их конфигурирование. В процессе установки Windows определяет тип и конкретную модель установленного устройства и подключает необходимый для его функционирования драйвер. При включении компьютера производится загрузка драйверов в оперативную память.

    Пользователь имеет возможность вручную установить или переустановить драйверы.

    Графический интерфейс. Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс . В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды с помощью мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

    Сервисные программы. В состав операционной системы входят также сервисные программы , или утилиты . Такие программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и так далее), выполнять операции с файлами (архивировать и так далее), работать в компьютерных сетях и так далее.

    Справочная система. Для удобства пользователя в состав операционной системы обычно входит также справочная система . Справочная система позволяет оперативно получить необходимую информацию как о функционировании операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

    Работа со справочной системой

    1. Вызов справочной системы осуществляется из Главного меню командой [Справка].

    2 На диалоговой панели Справка Windows пользователь может выбрать один из трех способов поиска необходимой ему справочной информации с помощью вкладок Содержание, Указатель, Поиск .

    Воспользуемся вкладкой Указатель для поиска информации о способах копирования файлов и папок. Для этого:

    • введем в поле ввода слово копирование , в левом окне появится список вариантов копирования различных объектов,
    • найдем и активизируем нужный элемент списка: копирование файлов и папок ;
    • в правом окне появится пояснение по проведению операций копирования.

    Вопросы для размышления

    1. Для чего необходима операционная система?

    2. Какие компоненты входят в состав операционной системы?

    Практические задания

    4.7. Проверить, какие марки монитора и видеоадаптера установлены в Windows и соответствуют ли они реально установленным в компьютере.

    4.8. Найти в справочной системе операционной системы информацию об установке драйверов.

    Операционная система - это посредник между компьютером и пользователем, обеспечивающий их взаимодействие и отвечающий за выполнение программ. Самые известные представители: Linux, Microsoft, Mac OS и так далее. В данной статье мы рассмотрим состав и функции Речь пойдет об общих параметрах без привязки к конкретной ОС.

    Из чего состоит операционная система?

    Прежде чем рассказать о том, какие бывают функции операционных систем, мы рассмотрим, из чего она состоит.

    1. Программный модуль, который управляет системой файлов.
    2. Драйверы для устройств. Они обеспечивают корректную работу каждого аппаратного элемента компьютера, а также информационный обмен с другими устройствами.
    3. Процессор, отвечающий на команды пользователя.
    4. Сервисные программы. При их помощи есть возможность работать в компьютерных сетях с дисками и файлами.
    5. Модули, обеспечивающие графическую оболочку для пользователя.
    6. Справочная система, помогающая найти ответ на любой вопрос относительно операционной системы и работы с ней.

    Функции операционных систем могут меняться в зависимости от вида последних. Классификаций довольно много. Приведем основные.

    1. По числу одновременно работающих пользователей ОС бывают: однопользовательские (старые версии, например, MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2) и многопользовательские (например, UNIX, Windows NT).

    2. По количеству одновременно выполняемых задач: однозадачные (например, MSX, MS-DOS) и многозадачные Windows 95, UNIX).

    Что делает операционная система?

    Рассмотрим теперь основные функции операционной системы:

    • выполнение команд пользователя по запросу (запуск и закрытие программ, ввод и вывод информации, освобождение дополнительной памяти и так далее);
    • доступ к (принтеру, мыши, клавиатуре и так далее);
    • загрузка программного обеспечения в оперативную память и его выполнение;
    • осуществление памятью;
    • сохранение данных об ошибках и сбоях в системе;
    • обеспечение интерфейса для пользователя;
    • осуществление доступа к другим носителям информации и управление ним.

    То есть все действия, осуществляемые человеком посредством инструментов ввода, производятся компьютером при помощи ОС. Она позволяет обеспечить удобный Также существуют и дополнительные функции операционных систем:

    • многозадачность;
    • разграничение прав доступа;
    • эффективное распределение ресурсов между процессами;
    • защита системы и данных пользователя;
    • взаимодействие между процессорами и их синхронизация.

    Системная оболочка, к которой мы так привыкли, предоставляет нам возможность комфортного пользования ресурсами компьютера. Назначение и функции операционных систем - удобство общения с машиной, структуризация и автоматизация процессов. С годами разработчики и создатели оболочек для персональных компьютеров упрощают нам, обычным пользователям, программистам, жизнь за счет введения новых возможностей и сокращения ручной работы. Бытует даже мнение, что в ближайшем будущем машины во многом заменят человека.

    Дата публикации 09.03.2013 15:29

    У новых компьютерных пользователей обычно возникает масса вопросов, на которые необходимо получить ответы в наиболее понятной и доступной форме. Одним из них является следующий: "Что такое операционная система?". Давайте разберемся в нем.

    Что такое операционная система и в чем состоит ее предназначение?

    Она представляет собой специализированную оболочку, предназначенную для управления компьютером, запуска программ, обеспечения эффективной защиты хранимых на компьютере данных, выполнения разнообразных сервисных функций по запросам от программ и пользователей. Услугами операционной системы пользуется любая программа, поэтому работа может осуществляться исключительно под управлением определенной ОС. Только при выполнении этого условия можно рассчитывать на слаженную деятельность компьютера.

    Обязательные части, входящие в состав операционной системы, следующие:

    Ядро, которое представляет собой командный интерпретатор, то есть своеобразный переводчик, переносящий запросы от пользователей или программ в понятный для физических компонентов компьютера вид;

    Специализированные программные компоненты, ориентированные на управление разнообразными устройствами, которые включены в состав компьютера, их принято называть драйверами;

    Интерфейс пользователя, то есть удобная оболочка, посредством которой и осуществляется основное общение.

    Что такое операционная система и что входит в ее состав?

    ОС представляет собой комплекс, сформированный из связанных между собой программ, который предназначен для организации удобного взаимодействия пользователя и компьютера, а также для выполнения остальных программ. Важно понимать, что установка второй операционной системы возможна только на другой логический диск, так как у каждой из них имеются собственные модули и компоненты. Можно рассмотреть структуру ОС, которая состоит из вполне конкретных компонентов и модулей:

    Ядро системы или базовый модуль предназначен для управления работой программы и файловой системы, обеспечивая удобный доступ к ней, а также обмен файлами между периферийными устройствами;

    Командный процессор создан для расшифровки и исполнения пользовательских команд, которые поступают обычно посредством клавиатуры;

    Драйвера для периферийных устройств предназначены для обеспечения согласованности работы устройств и процессора, они необходимы в связи с тем, что каждое из периферийных устройств обрабатывает информацию по-разному и с разной скоростью;

    Утилиты, представляющие собой дополнительные сервисные программы, делающие процесс пользовательского общения с компьютером многосторонним и максимально удобным.

    Если с тем, что такое операционная система , все более или менее понятно, то можно рассмотреть вопросы, связанные с ее загрузкой. Файлы, входящие в состав ОС, хранятся на диске. Известно, что для выполнения программ они должны находиться в оперативной памяти. Для начала должна быть выполнена программа загрузки, изначально отсутствующая в оперативной памяти. И тут есть выход – ОС поэтапно загружается в оперативную память. Работая за компьютером вы всегда можете купить прямой номер.

    Первый отрезок системы загружается из постоянного запоминающего устройства, где находятся все программы тестирования блоков питания ПК. Они выполняются моментально после поступления первых токовых импульсов. В это же время на начальном секторе диска запускается программа загрузки, берущая управление на себя. Это приложение ищет базовый модуль ОС, а потом передает ему управление. Загрузчик из базового модуля отыскивает все остальные компоненты и загружает их в ОЗУ. Когда ОС загружена, управление вручается командному процессору, после чего пользователь может вступать во взаимодействие с системой. Мобильные операционные системы работают по схожему принципу, однако, с некоторыми видоизменениями, связанными с особенностью устройств. Такой принцип распространяется абсолютно на все современные ОС.

    Аннотация: Функции операционной системы. Структура операционной системы. Классификация операционных систем. Требования к операционным системам.

    Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

    Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

    Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).


    Рис. 1.1.

    Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение ( ПО , software ) и оборудование или аппаратное обеспечение ( hardware ). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО .

    Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа ( приложение , application ). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word ), графические редакторы ( Paint , Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel ), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server ), браузеры ( Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением ( application software ).

    Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio .

    Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы , выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие ( архивирование ) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

    Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).

    Функции операционной системы

    К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

    • обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
    • управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
    • управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
    • управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
    • предоставление пользовательского интерфейса;
    • обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
    • организация сетевого взаимодействия.

    Структура операционной системы

    Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

    Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

    Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

    Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

    Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

    Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

    Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) .

    Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур . В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

    Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

    Примеры различных типов ядер:

    • монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
    • микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
    • гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

    Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [ ; ]. В говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 "Архитектура Windows"), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.

    Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

    В состав операционной системы также входят:

    • системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
    • пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

    Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

    • текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
    • графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

    Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

    Классификация операционных систем

    Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

    1. По способу организации вычислений:
      • системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
      • системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
      • системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
    2. По типу ядра:
      • системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
      • системы с микроядром (microkernel operating systems);
      • системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
    3. По количеству одновременно решаемых задач:
      • однозадачные (single-tasking operating systems);
      • многозадачные (multitasking operating systems).
    4. По количеству одновременно работающих пользователей:
      • однопользовательские (single-user operating systems);
      • многопользовательские (multi-user operating systems).
    5. По количеству поддерживаемых процессоров:
      • однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
      • многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
    6. По поддержке сети:
      • локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
      • сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.
    7. По роли в сетевом взаимодействии:
      • серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
      • клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
    8. По типу лицензии:
      • открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
      • проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
    9. По области применения:
      • операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
      • операционные системы серверов (server operating systems);
      • операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
      • операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
      • встроенные операционные системы (embedded operating systems);
      • операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

    Требования к операционным системам

    Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные :

    • расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
    • переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
    • совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
    • надежность – вероятность безотказной работы системы;
    • производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

    Резюме

    В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

    В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

    Контрольные вопросы

    1. Дайте определение понятию "операционная система".
    2. Назовите примеры прикладного, инструментального и системного программного обеспечения.
    3. Дайте определение понятий "системный вызов", "API", "драйвер", "ядро".
    4. Какие виды ядер вы знаете? К каким видам относятся ядра известных вам операционных систем?
    5. Чем ядро отличается от операционной системы?
    6. Приведите несколько способов классификации операционных систем.
    7. Назовите требования к современным операционным системам и объясните, что они означают.

    Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

    Большинство ОС состоит из следующих основных модулей: базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System); загрузчик операционной системы (Boot Record); ядро ОС; драйверы устройств; командный процессор; внешние команды (файлы).

    Базовая система ввода-вывода (BIOS) – это набор микропрограмм, реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода. Они хранятся в ПЗУ компьютера и записываются туда при изготовлении материнской платы. Данная система, по сути, «встроена» в компьютер и является одновременно его аппаратной частью и частью операционной системы.

    Первая функция BIOS – автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится соответствующее сообщение и / или выдается звуковой сигнал.

    Далее BIOS осуществляет вызов блока начальной загрузки операционной системы, находящейся на диске (эта операция выполняется сразу по окончании тестирования). Загрузив в ОЗУ этот блок, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь загружает другие модули ОС.

    Еще одна важная функция BIOS – обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши, ошибка в программе и т.д.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

    Загрузчик операционной системы – это короткая программа, находящаяся в первом секторе любого загрузочного диска (дискеты или диска с операционной системой). Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передаче им дальнейшего управления ЭВМ.

    Ядро ОС реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

    — файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

    — система управления памятью (размещает программы в памяти);

    — система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

    — система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

    — система обработки ошибок;

    — служба времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

    Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

    Драйверы требуются в тех случаях, когда обмен информацией с устройствами должен происходить иначе, чем определено в BIOS.

    Драйверы устройств – это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне. Они дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от аппаратуры и делают пользовательские программы независимыми от ее особенностей.

    Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы; необходимость и порядок их загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает подключение к машине новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

    Читать еще: