Тема 1.3: операционное окружение
Операцио́нное окруже́ние (англ. operating environment) – среда, в которой пользователь запускает программу. Например, операционное окружение DOS состоит из всех команд DOS, доступных пользователю. С другой стороны, операционное окружение Macintosh включает в себя графический интерфейс пользователя, использующий иконки и меню вместо команд.
Между операционным окружением и shell (командной оболочкой) пролегает очень тонкая грань. Исторически shell создавались как интерфейс к операционной системе. Он не добавляли новых возможностей и свойств. В задачу shell входило создание более удобного пользовательского интерфейса.
Современные операционные системы имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером.
В различных операционных системах состав среды окружения может сильно различаться.
К составу среды окружения обычно относят:
· системные переменные
· Текущие пути на различных дисках (в случае поддержки нескольких дисков операционной системой)
· Точка монтирования каталогов (в том числе корневого), используется в unix-подобных операционных системах для обеспечения режима «тюрьмы» (англ. jail)
· Связь стандартных потоков ввода-вывода с файловыми хэндлерами (описателями) или устройствами (используется для перенаправления ввода-вывода)
· Ограничения на количество одновременно открытых файлов, стеков и т.д.
· Набор прав (обычно соответствует правам пользователя, запустившего процесс, но может изменяться как в сторону большего набора прав, так и в сторону ужесточения)
· Дисковые квоты, ограничение на максимальный объём оперативной памяти, загрузки процессоров и т.д.
· Значения показателей использования ресурсов, получаемые от родительского процесса (на некоторых системах)
Также операционное окружение иногда называют контролирующей программой (control program).
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.
Управляющая программа определяет порядок выполнения обрабатывающих программ и обеспечивает необходимым набором услуг для их выполнения. Основные функции управляющей программы: последовательное или приоритетное выполнение каждой работы (управление задачами); хранение, поиск и обслуживание данных независимо от их организации и способа хранения (управление данными).
В состав управляющих программ входят:
Программы управления задачами считывают входные потоки задач, обрабатывают их в зависимости от приоритета, инициируют одновременное выполнение нескольких заданий; вызывают процедуры; ведут системный журнал.
Программы управления данными обеспечивают способы организации, идентификации, хранения, каталогизации и выборки обрабатываемых данных. Эти программы управляют вводом-выводом данных с различной организацией, объединением записей в блоки и разделением блоков на записи, обработкой меток томов и наборов данных.
Программы управления восстановлением после сбоя обрабатывают прерывания от систем контроля, регистрируют сбои и процессоре и внешних устройствах, формируют записи о сбое в журнале, анализируют возможность завершения затронутой сбоем задачи и переводят систему в состояние ожидания, если завершение задачи невозможно.
Конфигурация системы. Прикладная программа в операционных системах может получить от ОС в процессе своей работы характеристики конкретной реализации системы, в среде которой она функционирует: имя, версию и редакцию операционной системы, тип и технические характеристики компьютера. В ОС обычно имеются средства локализации, позволяющие настроить систему на конкретное национальное (местное) представление данных: представление десятичных дробей, денежных величин, даты и времени.
Операционные системы предоставляют программе пользователя возможность узнать текущие дату и время. За начало отсчета, например, в MS-DOS, принята дата 1 января 1980 года 0 часов 0 минут 0 секунд по Гринвичу, в Unix – 1 января 1970 года. Системы предоставляют возможность измерения временных интервалов короче 1 секунды с помощью специальных системных вызовов. ОС может переводить дату и время из внутреннего числового представления в символьное (пригодное к выводу, например, на терминал); местное время во время по Гринвичу и наоборот; предоставлять информацию о часовом поясе, летнем и зимнем времени.
Режим пользователя (User mode) - этонепривилегированный режим работы процессора, в котором выполняется код прикладных программ. Приложения, работающие в пользовательском режиме, не имеют доступа к системным данным, за исключением вызова промежуточных функций (subsystem-supplied functions), которые, в свою очередь, вызывают системные сервисы.
Супервизор (супервайзер) (англ. supervisor - букв. - надсмотрщик) - управляющая программа (или комплекс программ), предназначенная для организации многопрограммного режима работы ЭВМ (или вычислительной системы).
Режим супервизора - привилегированный режим работы процессора, как правило, используемый для выполнения ядра операционной системы.
В данном режиме работы процессора доступны привилегированные операции (операции ввода-вывода к периферийным устройствам, изменение параметров защиты памяти, настроек виртуальной памяти, системных параметров и прочих параметров конфигурации). Как правило, в режиме супервизора или вообще не действуют ограничения защиты памяти или же они могут быть произвольным образом изменены, поэтому код, работающий в данном режиме, как правило, имеет полный доступ ко всем системным ресурсам (адресное пространство, регистры конфигурации процессора и т.п.). Во многих типах процессоров это наиболее привилегированный режим из всех доступных режимов.
Известно одно исключение из данного правила: у некоторых современных процессоров может присутствовать еще более привилегированный режим гипервизора, как правило, используемый с целью виртуализации т.е. обеспечения параллельной работы сразу нескольких операционных систем на одном процессоре. В этом случае настройки, сделанные из режима гипервизора, могут вносить некоторые ограничения на прямой доступ к системным ресурсам и периферии из режима супервизора с целью предоставить гипервизору возможность арбитража и разграничения доступа к системным ресурсам и периферии незаметно для работающих параллельно операционных систем.
Дж. фон Нейман разработал принципы архитектуры современных компьютерных систем. Все устройства компьютера работают под управлением центрального процессора. Архитектура универсальной ЭВМ фон Неймана предусматривает пять базовых компонентов:
1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).
2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных устройств ЭВМ.
3. Запоминающее устройство (ЗУ).
4 .Устройство ввода информации.
5. Устройство вывода информации.
Рис. 5. Базовая конфигурация ЭВМ.
В дальнейшем с изменениями в технологии ЭВМ, ее состав расширяется с помощью подключения новых устройств, таких как, звуковая плата, дополнительные слоты памяти, сетевые устройства – адаптеры сети, сканеры и цифровые камеры. С введением в состав ЭВМ специальных контроллеров было предложено организовать мультипрограммный, мультизадачный режим работы вычислительной системы. Он заключается в том, что пока один вычислительный процесс или задача ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая задача может быть поставлена на решение.
При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не сможет быть выполнен быстрее, чем бы он был выполнен при однопрограммном режиме.
ОС поддерживает мультипрограммирование и старается эффективно использовать ресурсы, путем организации к ним очередей запроса, которые составляются тем или иным способом. Это требование достигается содержанием в памяти более одного процесса ожидающего процессор и более одного процесса готового использовать другие ресурсы. Общая схема выделения ресурсов такова: при необходимости использовать какой-либо ресурс, ОЗУ, устройство ввода/вывода процесс обращается к супервизору ОС. Супервизор ОС – центральный управляющий модуль ОС, который может состоять из нескольких модулей, например, супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. п.
Задача посредством специальных вызовов команд или директив сообщает о своем требовании супервизору ОС, при этом указывается вид ресурса и если надо его объем. Директива обращения к ОС передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы (если такой существует).
Не все ОС имеют 2 режима работы. Режимы работы бывают привилегированными (режим супервизора), пользовательскими, режим эмуляции.
Ресурс может быть выдан задаче по ее запросу если:
1. Ресурс свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому ресурсу.
2. Текущий запрос и ранее полуученый запросы допускают совместное использование ресурса.
3. Ресурс используется задачей более низкого приоритета и может быть временно отобран.