Общие сведения об операционных системах

Для каждой компьютерной системы существует комплект программ, обеспечивающие функционирование компьютера, управление аппаратными и программными ресурсами, взаимодействие пользователя и компьютера. Совокупность этих программных средств называется операционной системой. Операционная система (ОС) является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения, без нее компьютер не может работать в принципе.

Основными задачами всех операционных систем является:

1. Принимать на себя сигналы-команды, которые посылают другие программы, и «переводить» их на понятный компьютеру язык.

2. Управлять всеми подключенными к компьютеру устройствами, обеспечивая доступ к ним другим программам.

3. Обеспечить пользователю удобство работы с компьютером.

Получается, что каждая операционная система состоит как минимум из трех обязательных частей. Таким образом, структура операционной системы будет состоять из следующих компонентов:

- ядра, обеспечивающего важнейшие функции ОС (распределение памяти, запуск процессов и др.);

- набора драйверов (модули, управляющие каким-то определенным периферийным устройством, например, драйвер принтера или драйвер сетевой карты);

- комплекта прикладных программ (например, простейший текстовый и графический редактор).

Из этого можно сделать вывод, что основными функциями всех операционных систем являются:

- загрузка программ в оперативную память и управление ходом их выполнения;

- обеспечение операций по обмену данными между выполняющейся программой и внешними устройствами;

- обслуживание нестандартных ситуаций в ходе выполнения программы;

- удаление выполненной программы из оперативной памяти и освобождение места для загрузки новой программы;

- организация хранения и поиска программ и данных на внешних носителях;

- организация взаимодействия пользователя и операционной системы – прием и выполнение команд пользователя;

- выполнение различных вспомогательных (сервисных) функций, таких как форматирование дисковых устройств, копирование информации с одного дискового устройства на другое и некоторые другие.

В настоящее время наибольшее распространение имеют следующие операционные системы: MS DOS (Microsoft Disk Operation System) – выпускается фирмой Microsoft с 1981 г.; она работает в текстовом режиме; известны также ее разновидности от других фирм-разработчиков: DR DOS, PC DOS; OS/2 – разрабатывается фирмой IBM; Unix – создана корпорацией Bell Laboratory; МасОС – выпускается фирмой Apple для компьютеров типа Macintosh; NetWare – сетевая операционная система, выпускается фирмой Novell; Windows 95/98/NT/2000/XP/2003/2007/2010/2013 и др. – разрабатываются фирмой Microsoft.

Различают однозадачные, многозадачные и многопользовательские системы.

Однозадачными называются ОС, позволяющие выполнять только одну программу в каждый сеанс работы пользователя. Для запуска другой программы необходимо завершить или временно приостановить работу с предыдущей.

Многозадачные ОС позволяют одновременное выполнение нескольких программ (задач). Многозадачность – свойство операционной системы или среды выполнения обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Существует 2 типа многозадачности:

- Процессная многозадачность (основанная на процессах – одновременно выполняющихся программах). Здесь программа наименьший элемент кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки).

- Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода – поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно).

Центральный процессор выполняет небольшие фрагменты запущенных программ поочередно, переключаясь между ними несколько десятков раз в секунду. Время, отведенное для выполнения каждого фрагмента задачи, называется квантом. Количество одновременно выполняющихся задач ограничивается объемом памяти и производительностью системы. Более существенно для пользователя, что для запуска новой программы нет необходимости завершать остальные и можно работать параллельно с несколькими программами. Практически все современные ОС являются многозадачными.

Многопользовательские ОС появились исторически раньше других типов ОС. Они были предназначены для работы на мини- и суперкомпьютерах одновременно большого числа программ различных пользователей. В настоящее время многопользовательские ОС широко используются на серверах в информационных сетях. К этому типу ОС относится большинство операционных систем, например, Unix, Linux, Solaris и их многочисленные аналоги.

Системы реального времени обеспечивают гарантированное время реакции на наступление внешнего события (например, появление сигнала от датчика). Такие системы могут использоваться для управления критически важным оборудованием (станками, технологическими процессами, средствами передвижения, военной и космической техникой, энергетическими установками). В персональных компьютерах системы реального времени не применяются, так как они требуют специального аппаратного обеспечения.

Сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих операционных систем. Существует несколько разновидностей операционных систем, например Windows, Unix, Linux, OS/2 и другие. Одной из самых популярных в нашей стране является операционная система Windows.

Рассмотрим основные термины, использующиеся при работе в любой операционной системе.

Файл. Файл – это логически связанная совокупность данных и программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область. Каждый файл имеет свое имя, состоящее из двух частей: имя (название файла) и идентификатор, определяющий его тип и называемый расширением. Имя файла дается пользователем, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании. Обычно расширение состоит из трех редко – из четырех букв и отделяется от имени файла точкой. Например, Учебник.doc: Учебник – имя файла, doc – расширение, указывающее, что документ был создан в текстовом редакторе MS Word.

Над файлами могут быть выполнены следующие операции:

Создание файла осуществляется по указанию пользователя или автоматически средствами различных программных систем. За создаваемым файлом закрепляется название, ему выделяется место на дисковом носителе, и он определенным образом регистрируется в операционной системе.

Открытие файла означает подготовку файла к работе с какой-либо программной системой. Процесс подготовки, в частности, включает в себя поиск файла на носителе и организацию различных вспомогательных таблиц, с помощью которых информация либо заносится в файл, либо выбирается из него.

Закрытие файла означает разрыв связи между файлом и программной системой и сохранение его текущего состояния. Закрытие файла аналогично возврату документа, в который вносились изменения, на место его постоянного хранения.

Изменением файла считается внесение любых изменений в данные, являющиеся его содержимым. Внесение изменений в содержащий какой-либо текст файл принято также называть редактированием файла.

Копирование файла означает, что на том же самом или на другом внешнем устройстве или носителе информации создается точная копия исходного файла.

Перемещение файла означает, что после копирования файла на другое место оригинал уничтожается, в результате остается только один его экземпляр.

Переименование файла означает закрепление за файлом нового названия, при этом старое его название безвозвратно теряется.

Удаление файла приходится выполнять в случаях, когда устаревшая информация, хранящаяся в файлах, загромождает внешний носитель.

Файловая система. На каждом носителе информации, например на жестком диске, может храниться огромное количество файлов. Порядок хранения файлов определяется установленной файловой системой.

Файловая система – порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т.п. Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов, максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые он проходит. В качестве разделителя используется символ «\» (обратная косая черта).

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождественными полными именами.

Папка (каталог, директория) – специфичный файл, содержащий список хранящихся в нём объектов. В качестве таких объектов могут быть файлы или другие папки. Каждая папка имеет имя.

Путь к файлу. Для того чтобы найти файл в иерархической файловой структуре, необходимо указать путь к файлу. Путь – это список каталогов в порядке их подчинённости. В путь к файлу входят записываемые через разделитель «\» (косую черту) логическое имя диска и последовательность имен вложенных в друг друга каталогов, в последнем из которых находится нужный файл. Путь к файлу вместе с его именем называют полным именем файла.

Есть у файла еще один признак, называемый атрибутом. Простыми словами, атрибуты файла – это параметры, по которым файл отличается от множества других файлов. К атрибутам можно отнести дату и время создания файла, размер, скрытые, системные файлы и др.

Загрузка операционной системы. Файлы операционной системы хранятся во внешней долговременной памяти, например на жестком диске. Однако программы могут выполняться, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы операционной системы необходимо сначала загрузить в оперативную память. Оперативная память – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции.

После включения компьютера производится загрузка операционной системы с системного диска в оперативную память. Системный диск – это диск на котором находятся файлы операционной системы с которого производится ее загрузка. Загрузка должна выполняться в соответствии с программой загрузки. Но для того, чтобы компьютер выполнял какую–либо программу, эта программа должна уже находится в оперативной памяти. Разрешение этого противоречия состоит в последовательной загрузке операционной системы. Для первого этапа загрузки операционной системы существует программа BIOS, основной функцией которой является тестирование компонентов компьютера при его включении, то есть инициализация оборудования и передача управления, если инициализация прошла успешно, системному или жёсткому диску, в зависимости от приоритета загрузки выставленного в BIOS – для дальнейшего запуска операционной системы. Кроме этого в настройках BIOS можно ускорить загрузку компьютера, изменить показатели критической температуры, подключить другую видеокарту, изменять скорость вращения кулера, отключить бесполезные функции – тем самым повысить производительность и быстродействие компьютера.

Таким образом, после включения питания компьютера процессор начинает выполнять программы тестирования работоспособности всех устройств компьютера. После проведения самотестирования специальная программа, содержащаяся в BIOS, начинает поиск загрузчика операционной системы. Происходят поочередное обращение к имеющимся в компьютере дискам и поиск на наличие программы-загрузчика операционной системы. Если системный диск и программа загрузчик оказываются на месте, то она загружается в оперативную память и ей передается управление работой компьютера.