Теория операционных систем. Урок 1. Назначение и функции операционной системы (ОС).

Операционная система (ОС) - это комплекс программного обеспечения, предназначенный для снижения стоимости программирования, упрощения доступа к системе, повышения эффективности работы.  Цель создания операционной системы - получить экономический выигрыш при использовании системы, путем увеличения производительности труда программистов (и пользователей) и эффективности работы оборудования.
 

Функции операционной системы:

• связь с пользователем в реальном времени для подготовки устройств к работе, переопределение конфигурации и изменения состояния системы.

• выполнение операций ввода-вывода; в частности, в состав операционной системы входят программы обработки прерываний от устройств ввода-вывода, обработки запросов к устройствам ввода-вывода и распределения этих запросов между устройствами.

• управление памятью, связанное с распределением оперативной памяти между прикладными программами.

• управление файлами; основными задачами при этом являются обеспечение защиты, управление выборкой и сохранение секретности хранимой информации.

• обработка исключительных условий во время выполнения задачи: появление арифметической или машинной ошибки, прерываний, связанных с неправильной адресацией или выполнением

• вспомогательные, обеспечивающие организацию сетей, использование служебных программ и языков высокого уровня.

Здесь перечислены общие функции ОС. Однако, сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Даже у конкретной операционной системы набор выполняемых функций зачастую определить не так просто — та функция, которая сегодня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, завтра может стать ее неотъемлемой частью и наоборот. Поэтому при изучении операционных систем очень важно из всего многообразия выделить те функции, которые присущи всем операционным системам как классу продуктов.
 

Разберем классификацию операционных систем и их функциональное назначение более подробно.

Операционные системы для автономного компьютера.

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программных средств, который действует как интерфейс, с одной стороны, между приложениями и пользователями, и, с другой стороны, аппаратурой компьютера. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций:

•  предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
•  повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

ОС как виртуальная машина.

Для эффективного решения не обязательно досконально знать аппаратное устройство компьютера и быть в курсе того, как как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Более того, очень часто пользователь может не знать даже системы команд процессора. Пользователь-программист привык иметь дело с мощными высокоуровневыми функциями, которые ему предоставляет операционная система.

Например, при работе с диском достаточно представить диск просто как набор именованных файлов.  Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи, а затем в закрытии файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами.

Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов. Сразу вспоминаются старые времена, когда файлы хранились на магнитофонных кассетах, и их приходилось искать путем перемотки ленты. К счастью, магнитные диски и операционные системы избавили пользователей ПК от подобного геморроя.

Таким образом, операционная система избавляет как пользователя, так и программиста от необходимости непосредственной работы с аппаратными устройствами компьютера, по сути, превращая компьютер в некую виртуальную машину.

ОС как система управления ресурсами.

Операционная система не только предоставляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера. К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа — это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс — это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prgl.exe, где prgl.exe — это имя файла, в котором хранится код программы.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

•  планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
•  удовлетворение запросов на ресурсы;

•  отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

•  разрешение конфликтов между процессами.
   

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.

Управление процессами.

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов. Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

Часто в информационное описание процесса включатся вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе.  Это может быть, например, время, которое процесс потратил, к примеру, на вычисления, а какую на операции ввода/вывода.  Также у процесса может быть задан статус, привилегия и так далее.

Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту. Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса.

Управление памятью.

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса. В современных компьютерах такая защита, как правило, производиться на аппаратном уроне.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они могут отличаться, например, количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной области, а в других — в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы границы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существования процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти). В некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других — сегментами переменной длины.

Управление файлами и внешними устройствами.

Способность ОС к «разруливанию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС — файловой системе. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла — простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы — каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого. Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

Защита данных и администрирование.

Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.

Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа. Операционная система должна убедиться, что в систему пытается войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Функции защиты ОС вообще очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы — файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, пользователю может быть запрещено выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Администратор может также урезать возможности пользовательского интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню операционной системы, выводимого на дисплей пользователя.

В функцию ОС также входит логирование событий и действий пользователей, например, попытки удачного и неудачного логического входа в систему, операции доступа к некоторым каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС..

Кроме того, для защиты целостности данных во многие ОС входит такая функция, как автоматическое резервное копирование важных данных.

Интерфейс прикладного программирования.

Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым обладает только операционная система. Например, в большинстве современных ОС все действия, связанные с управлением аппаратными средствами компьютера, может выполнять только ОС. Помимо этих функций прикладной программист может воспользоваться набором сервисных функций ОС, которые упрощают написание приложений. Функции такого типа реализуют универсальные действия, часто требующиеся в различных приложениях, такие, например, как обработка текстовых строк. Эти функции могли бы быть выполнены и самим приложением, однако гораздо проще использовать уже готовые, отлаженные процедуры, включенные в состав операционной системы. В то же время даже при наличии в ОС соответствующей функции программист может реализовать ее самостоятельно в рамках приложения, если предложенный операционной системой вариант его не вполне устраивает.

Возможности операционной системы доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.

Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API кажутся им одной и той же ОС, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API. Например, следование общим стандартам API UNIX, одним из которых является стандарт Posix, позволяет говорить о некоторой обобщенной операционной системе UNIX, хотя многочисленные версии этой ОС от разных производителей иногда существенно отличаются внутренней организацией.

Пользовательский интерфейс.

Операционная система должна обеспечивать удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для человека, работающего за терминалом. Этот человек может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом. В ранних операционных системах пакетного режима функции пользовательского интерфейса были сведены к минимуму и не требовали наличия терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выводились на печатающее устройство. Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского интерфейса для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфавитно-цифровыми и графическими.

Работа с сетью.

Важной функцией операционной системы является предоставление пользователю возможность работы с сетевыми устройствами: дургими компьютерами, сетевыми принтерами, факсами и другими устройствами, а также выход в Интернет.

В зависимости от того, какой виртуальный образ создает операционная система для того, чтобы подменить им реальную аппаратуру компьютерной сети, различают сетевые ОС и распределенные ОС. Сетевая ОС предоставляет пользователю некую виртуальную вычислительную систему, работать с которой гораздо проще, чем с реальной сетевой аппаратурой. В то же время эта виртуальная система не полностью скрывает распределенную природу своего реального прототипа, то есть является виртуальной сетью.

При использовании ресурсов компьютеров сети пользователь сетевой ОС всегда помнит, что он имеет дело с сетевыми ресурсами и что для доступа к ним нужно выполнить некоторые особые операции, например отобразить удаленный разделяемый каталог на вымышленную локальную букву дисковода или поставить перед именем каталога еще и имя компьютера, на котором тот расположен. Пользователи сетевой ОС обычно должны быть в курсе того, где хранятся их файлы, и должны использовать явные команды передачи файлов для перемещения файлов с одной машины на другую.

Магистральным направлением развития сетевых операционных систем является достижение как можно более высокой степени прозрачности сетевых ресурсов. В идеальном случае сетевая ОС должна представить пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины. Для такой операционной системы используют специальное название — распределенная ОС, или истинно распределенная ОС. Распределенная ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляет набор сетевых машин работать как виртуальный унипроцессор. Пользователь распределенной ОС, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется его работа. Распределенная ОС существует как единая операционная система в масштабах вычислительной системы. Каждый компьютер сети, работающей под управлением распределенной ОС, выполняет часть функций этой глобальной ОС. Распределенная ОС объединяет все компьютеры сети в том смысле, что они работают в тесной кооперации друг с другом для эффективного использования всех ресурсов компьютерной сети.

Также операционная системе может выполнять функцию сервера, к которому можно обратиться через сеть. Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой. В приведенном выше примере клиентская и серверная части ОС, которые совместно обеспечивают доступ через сеть к файловой системе компьютера, образуют файловую службу. Говорят, что сетевая служба предоставляет пользователям сети некоторый набор услуг. Эти услуги иногда называют также сетевым сервисом (от англоязычного термина «service»). Необходимо отметить, что этот термин в технической литературе переводится и как «сервис», и как «услуга», и как «служба». Хотя указанные термины иногда используются как синонимы, следует иметь в виду, что в некоторых случаях различие в значениях этих терминов носит принципиальный характер.