Тема 1. Понятие операционной системы Основные понятия Операционной системой принято называть программный комплекс, который управляет аппаратными компонентами вычислительной системы и предоставляет пользователю простой и удобный программный интерфейс для решения различных задач. Операционная система является обязательным компонентом любой вычислительной машины, какие бы задачи перед ней не стояли – будь то домашний компьютер, узел локальной или глобальной компьютерной сети, сервер баз данных или же комплекс управления технологическим процессом на промышленном предприятии. Операционная система должна быть достаточно прозрачной для разработчиков программного обеспечения, дабы те могли разрабатывать приложения для расширения функционала ОС и улучшения ее работы.

Задачи и функции ОС вычислительными ресурсами Если рассматривать ОС, как некий механизм, управляющий всеми частями вычислительной машины, то одной из основных задач ОС является управление вычислительными ресурсами. К вычислительным ресурсам относят: процессорное время, оперативную и постоянную память, мультимедиа-компоненты, телекоммуникационное и периферийное оборудование. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач – 1. планирование ресурса, 2. отслеживание его состояния.

Второй основной задачей операционной системы Второй основной задачей операционной системы является предоставление пользователю некоей абстрактной машины, с чьей помощью пользователь может решать различные задачи. Исходя из такой постановки задач, можно определить следующие функции операционной системы – эффективное управление вычислительными ресурсами для повышения эффективности работы вычислительной машины обеспечение необходимого уровня прозрачности оборудования для пользователей.

Виды операционных систем Наиболее распространенными классификациями операционных систем являются следующие две – по функциональным возможностям, по областям применения. По функциональным возможностям выделяют: однозадачные и многозадачные; однопользовательские и многопользовательские; однопроцессорные и многопроцессорные. Многозадачные ОС делятся на ОС с вытесняющей и не вытесняющей многозадачностью. При вытесняющей многозадачности контроль за работой программ лежит на операционной системе, в противном же случае ход вычислений контролируется каждой программой самостоятельно.

Многопроцессорные ОС делятся на симметричные и асимметричные. Асимметричные многопроцессорные операционные системы отличаются от симметричных тем, что первая монополизирует для работы операционной системы один или более процессоров, в то время как вторая использует часть процессорного времени каждого процессора.

По областям применения выделяют операционные системы: мэйнфреймов, кластеров, серверов, рабочих станций, карманных компьютеров, мобильные и встраиваемые операционные системы. В зависимости от области применения различаются и функциональные возможности каждого класса операционных систем.

Свойства операционных систем Свойства, которыми обладают операционные системы, делятся на две группы – машинно-независимые и машинно-зависимые. Машинно-независимые свойства характеризуют возможности ОС: по управлению вычислительными ресурсами, особенности организации вычислительных процессов, способы организации файловых структур. К машинно-зависимым свойствам современных ОС относят: многозадачность, возможность одновременной работы нескольких пользователей, возможность многопроцессорной обработки данных, возможность распараллеливания вычислений и многие другие.

Цели разработки и проблемы проектирования операционных систем. Для универсальных операционных систем характерны следующие четыре цели: 1. Определение абстракций – процессы, файлы, модели памяти, концепция ввода-вывода и многое другое; 2. Предоставление примитивных команд для работы с абстракциями; 3. Защита – как сеансов пользователей, так и вычислительных ресурсов; 4. Управление аппаратными компонентами. Сложность проектирования операционных систем. Сохранить обратную совместимость с предыдущими версиями. Над разработкой операционной системы трудится большое количество людей. Система должна обеспечивать параллелизм работы нескольких пользователей и множества устройств.

Требования к операционным системам Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами; обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна реализовывать: мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, поддерживать многооконный интерфейс.

Рыночные требования. К этим требованиям относятся: Расширяемость Расширяемость. Код должен быть написан таким образом, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить целостность системы. Переносимость Переносимость. Код должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Надежность и отказоустойчивость Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны быть в состоянии наносить вред ОС.

Рыночные требования. К этим требованиям относятся: Совместимость Совместимость. ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем. Кроме того, пользовательский интерфейс должен быть совместим с существующими системами и стандартами. Безопасность Безопасность. ОС должна обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других. Производительность Производительность. Система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.

Разработка интерфейса Интерфейс Интерфейс – это в общем случае набор правил, согласно которым взаимодействуют два и более объектов. Существуют как аппаратные интерфейсы, так и программные. Аппаратный интерфейс определяет, каким образом два и более устройства обмениваются данными на физическом уровне. Программные интерфейсы делятся на несколько видов: драйверы устройств, системные вызовы, пользовательские интерфейсы. Простота интерфейса предполагает минимум ошибок при его проектировании и реализации. Полнота интерфейса означает, что интерфейс выполняет возложенные на него функции. Эффективность достигается, когда совмещены оба предыдущих принципа.

Необходимо четко понимать, что с операционной системой работают две группы пользователей: 1. пользователи 1. пользователи прикладных программ 2. разработчики 2. разработчики прикладных программ. Первые заинтересованы в том, чтобы имеющийся интерфейс пользователя был как можно дружелюбнее и удобнее в обращении, не требуя специализированных навыков. системных вызовов Вторые чаще работают с интерфейсом системных вызовов.

парадигме При проектировании пользовательского интерфейса необходимо следовать выбранной парадигме. Парадигмой интерфейса называют общую концепцию взаимодействия пользователя с операционной системой. В графических интерфейсах используется парадигма WIMP – Window, Image, Menu, Pointer, или Окно – Образ – Меню – Курсор. Согласно этой парадигме, пользователь работает с окнами, в каждом из которых отображается некоторый образ. Каждое окно снабжено меню, содержащее набор допустимых действий, а взаимодействие осуществляется при помощи курсора. Операционной средой Операционной средой называют программный интерфейс, который позволяет управлять ходом решения одного или нескольких классов задач, удобным и привычным для пользователей образом.

Проектирование операционной системы При проектировании операционной системы необходимо определиться с парадигмами исполнения и данных. Среди парадигм исполнения на данный момент наиболее широко распространены две – алгоритмическая и событийная. Алгоритмическая парадигма подразумевает, что программа запускается для выполнения какой-либо функции. Логика программы определена жестко, при этом программа обращается к системным вызовам по мере необходимости. Событийная парадигма подразумевает управление событиями. При таком подходе определен набор возможных ситуаций, при наступлении которой вызывается программа- обработчик. Каждая из парадигм порождает собственный стиль программирования.

Парадигма данных определяет, в каком виде перед пользователем предстают элементы системы. UNIX-системы используют файловую парадигму данных, в рамках которой каждому устройству сопоставлен файл, посредством которого организуется взаимодействие. Windows-системы используют объектную парадигму, согласно которой, все элементы системы предстают в виде объектов, над которыми можно выполнять различные действия.

Блок-схема ядра операционной системы