Понятие ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Для того, чтобы понять роль операционной системы необходимо рассмотреть общую картину функционирования компьютерной системы.

На нижнем уровне иерархии компьютерной системы находится аппаратура (hardware) компьютера, основные части которой – центральный процессор (Central Processor Unit — CPU), выполняющий команды (инструкции) компьютера; память (memory), хранящая данные и программы, и устройства ввода- вывода, или внешние устройства (input—output devices, I/O devices), обеспечивающие ввод информации в компьютер и вывод результатов работы программ в форме, воспринимаемой пользователем-человеком или другими программами. Часто на программистском сленге аппаратуру называют «железом».

Уровнем выше располагается операционная система (operating system) – основной предмет нашего курса; системное программное обеспечение, управляющее использованием аппаратуры компьютера различными программами и пользователями.

Далее — прикладное программное обеспечение (applications software) – программы, предназначенные для решения различных классов задач. К ним относятся системы управления базами данных (СУБД); графические библиотеки, игровые программы, офисные программы. Прикладное программное обеспечение образует следующий, более высокий уровень, по сравнению с операционной системой, и позволяет решать на компьютере различные прикладные и повседневные задачи.

Верхний уровень — пользователи (users) – люди и другие компьютеры. Отнесение пользователя-человека к компонентам компьютерной системы — вовсе не шутка, а реальность: любой пользователь фактически становится частью вычислительной системы в процессе своей работы на компьютере, так как должен подчиняться определенным строгим правилам, нарушение которых приведет к ошибкам или невозможности использования компьютера, и выполнять большой объем типовых рутинных действий – почти как сам компьютер.

Одна из важных функций ОС как раз и состоит в том, чтобы избавить пользователя от большей части такой рутинной работы (например, резервного копирования файлов) и позволить ему сосредоточиться на работе творческой.

Другие компьютеры в сети также могут играть роль пользователей (клиентов) по отношению к данному компьютеру, выступающему в роли сервера, используемого, например, для хранения файлов или выполнения больших программ.

Зачем нужна операционная система?

Удобно для прикладного программного обеспечения:

• Упращение разработки, например, использование высокоуровневой абстракции (файлы) вместо низкоуровнего доступа (адресация контроллера устройства через его регистры).  Эти абстракции могут использоваться разным ПО
• Портируемость (на разные конфигурации или архитектуры) — независимость от устройств, например видеокарты разных типов NVIDIA или ATI позволяют выводить двух-трех-мерную графику не заботясь о строении видеокарты.

Удобно для пользователя:

• —Безопасность
  — ОС защищает программы от других программ
  -ОС распределяет ресурсы между программами
• Эффективность
  — разделяет один компьютер между многими пользователями
  — обеспечивает одновременное выполнение нескольких программ

Что такое операционная система?

Операционная система предоставляет основу и среду для выполнения прикладных программ пользователя, а именно:

• Общее абстрактное представление ресурсов, которые могут запрашиваться и использоваться прикладным программным обеспечением(процессор, память, устройства вв/выв (диск, сеть)
• Использует аппаратные ресурсы одного или нескольких процессоров
• Управляет вторичной памятью и устройствами вв/выв

Цели:

•  сделать компьютер более удобным
•  сделать компьютер более эффективным
• сделать компьютер более безопасным

Операционная система (ОС, в англоязычном варианте — operating system) – базовое системное программное обеспечение, управляющее работой компьютера и являющееся посредником (интерфейсом) между аппаратурой (hardware), прикладным программным обеспечением (application software) и пользователем компьютера (user).

Фактически операционная система с точки зрения пользователя– это как бы продолжение аппаратуры, надстройка над ней, обеспечивающая более удобное, надежное и безопасное использование компьютеров и компьютерных сетей.

Цели работы операционной системы

Основные цели работы операционной системы следующие:

• Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности выполнения пользовательских программ.
  Для пользователя самое главное – чтобы его программа работала, вела себя предсказуемо, выдавала необходимые ему правильные результаты, не давала сбоев, не подвергалась внешним атакам. Вычислительную среду для такого выполнения программ и обеспечивает операционная система.
• Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования компьютера.
  Операционная система обеспечивает максимальную полезность и эффективность использования компьютера и его ресурсов, обрабатывает прерывания, защищает компьютер от сбоев, отказов и хакерских атак. Эта деятельность ОС может быть не столь заметной для пользователя, но она осуществляется постоянно.
• Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования сетевых, дисковых и других внешних устройств, подключенных к компьютеру.
  Особая функция операционной системы, без которой невозможно использовать компьютер, — это работа с внешними устройствами. Например, ОС обрабатывает любое обращение к жесткому диску, обеспечивая работу соответствующего драйвера (низкоуровневой программы для обмена информацией с диском) и контроллера (специализированного процессора, выполняющего команды ввода-вывода с диском). Любая «флэшка», вставленная в USB-слот компьютера, распознается операционной системой, получает свое логическое имя (в системе Windows – в виде буквы, например, G) и становится частью файловой системы компьютера на все время, пока она не будет извлечена (демонтирована).
  
• Подчеркнем особую важность среди функций современных ОС обеспечения безопасности, надежности и защиты данных. Следует учитывать, что компьютер и операционная система работают в сетевом окружении, в котором постоянно возможны и фактически происходят атаки хакеров и их программ, ставящие своей целью нарушение работы компьютера, «взлом» конфиденциальных данных пользователя, хранящихся на нем, похищение логинов, паролей, использование компьютера как «робота» для рассылки реклам или вирусов и др.
  В связи с этим в 2002 г. фирма Microsoft объявила инициативу по надежным и безопасным вычислениям (trustworthy computing initiative), целью которой является повышение надежности и безопасности всего программного обеспечения, прежде всего – операционных систем.

Функции операционных систем

Большинство функций ОС попадают в категорию координации, позволяя разным задачам работать вместе.

• Параллелизм: позволяет нескольким разным задачам выполняться в одно и тоже время так, как будто каждая из них работает на отдельной машине. Для учета были введены понятия процессов и потоков.
• Устройства ввода/вывода: ЦП не должен простаивать, ожидая операции ввода/вывода
• Память: как в одной памяти организовать множество процессов?
• Файлы: позволяет множеству файлов для множества разных пользователей разделять пространство одного физического носителя – диска
• Сети: позволяет группе компьютеров работать совместно
• Безопасность: как обеспечить взаимодействие, при этом защищая каждого участника от всевозможных небезопасных действий остальных участников

• Представление сервисов
  ОС представляет набор услуг для системных пользователей
• Управление ресурсами 
  Использование аппаратных ресурсов одного или нескольких процессоров и выделение их пользовательским программам
• Управление программой  
  Управление процессом выполнения программа и операциями устройств вв/выв. Прерывание программы для приема/передачи данных через ввод/вывод или для перераспределения ресурсов другой программе
• Защита и безопасность
  — Обеспечивает защиту запущенных программ друг от друга
  — Контролирует доступ пользователей к данным, процессам и другим объектам.

Операционная система как менеджер (система управления) ресурсов

Операционной системе необходимо организовать эффективное использование ограниченных ресурсов, а именно:

• Улучшить использование
• Минимизировать накладные расходы
• Увеличить скорость

Это достигается с помощью:

• Многопользовательского режима и мультипрограммирования: несколько программ выполняются параллельно
• Выделение приложениям ресурсов
• Разделение ресурса во времени (планирование доступа к ресурсу разными пользователями)
• Разделение ресурса в пространстве (выделение памяти или ее части разным пользователям)

Планирование и управление ресурсами

ОС управляет и выделяет ресурсы процессора и память. Политика выделения ресурсов должна опираться на:

• Эффективность: максимизация скорости
• Справедливость: все процессы должны обслуживаться справедливо
• Дифференцированность: у процессов может быть разный приоритет и разные требования

Операционная система как менеджер безопасности

Обеспечивает:

1. Защиту приложений друг от друга
   — Установку границ между программами, работающими на компьютере
   — Защиту самой ОС от пользовательских программ (в них может произойти сбой)
2. Защиту данных
   — Доступ к данным регулируется и ограничивается
   — Определяется владелец и права доступа данных и процессов
   — Выполнение программ

 

В данном курсе мы будем подробно останавливаться на том, какие действия по обеспечению надежности, безопасности и защите данных предпринимают современные ОС.

Основные понятия операционных систем

Исторические наработки и решения проблем привели к следующим основополагающим понятиям в теории ОС:

• Процессы и потоки
  — Реализуют концепцию мультипрограммирования/многозадачности, переключения контекстов и вытесняющей многозадачности
• Управление памятью
  — Кеширование, виртуальная память, защита и изоляция задач
• Безопасность
  — Идентификация пользователей, защита данных
• Планирование и управление ресурсами
  — Справедливое распределение процессорного времени на задачи
• Структура системы
  — Послойный подход к дизайну ОС, разделение пользовательских программ и структур ядра

 Процессы

Фундаментальное понятие ОС

Процесс – это выполняющаяся программа

• Код программы
• Ассоциированные с ней и необходимые ей данные (статические переменные, стек, буферы…)
• Контекст выполнения (состояние процесса)

Контекст выполнения очень важен для управления процессами

• Это структура данных, используемая ОС для управления процессом
• Сохраняет регистры процессора при переключении контекста
• Сохраняет приоритет процесса и другую информацию о состоянии

Управление памятью

У операционных систем есть пять основных принципов управления устройствами хранения информации:

1. Изоляция процессов
2. Автоматическое выделение и управление памятью
3. Поддержка модульного программирования
4. Защита и контроль доступа
5. Долговременное хранение

Планирование и управление ресурсами

ОС управляет и выделяет ресурсы процессора и память

Политика выделения ресурсов должна опираться на:

• Эффективность: максимизация скорости
• Справедливость: все процессы должны обслуживаться справедливо
• Дифференцированность: у процессов может быть разный приоритет и разные требования

Защита информации и безопасность

Доступ к вычислительным ресурсам и данным должен контролироваться

Основные проблемы:

• Доступность: защита системы от прерывания ее работы
• Конфиденциальность: предотвращение неавторизованного доступа к данным
• Целостность данных: предотвращение неавторизованного изменения данных
• Аутентификация: идентификация пользователей, проверка их прав доступа, проверка правильности переданных сообщений и данных

Состав ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

1. Первая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память один раз и находится в памяти резидентно – постоянно, по одним и тем же адресам. Ядро — командный интерпретатор, «переводчик» с программного языка на «железный», язык машинных кодов.
2. Вторая часть — Подсистема управления ресурсами (resource allocator) — управляет вычислительными ресурсами компьютера — оперативной и внешней памятью, процессором
3. Третья часть — Управляющая программа (control program, supervisor) – управляет исполнением других программ и функционированием устройств ввода-вывода.(используются специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера. Драйвера «системные библиотеки»)
4. Четвертая часть — удобная оболочка, с которой общается пользователь — интерфейс. Своего рода красивая обертка, в которую упаковано скучное и не интересное для пользователя ядро.

 

Перейдем к рассмотрению истории развития(эволюции) операционных систем.

 

Понравилась статья, рекомендуйте Вашим друзьям!

↑Как установить такие кнопки?↑

Давайте дружить!