Назначение и основные функции ОС

Операционная система (ОС) — система программ, предназначенная для управления ресурсами ЭВМ и процессами, которые используют эти ресурсы, а также для обеспечения пользовательского интерфейса.

Под ресурсом ЭВМ понимается любой логический или аппаратный компонент ЭВМ, а под процессом - последовательность действий, предписанных программой.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны.

Рис. 4.2. Классификация программного обеспечения

В функции операционной системы входит:

• осуществление диалога с пользователем;
• ввод-вывод и управление данными;
• планирование и организация процесса обработки программ;
• распределение ресурсов (оперативной памяти и кэша, процессора, внешних устройств);
• запуск программ на выполнение;
• всевозможные вспомогательные операции обслуживания;
• передача информации между различными внутренними устройствами;
• программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.).
• обработка прерываний.

Концепция прерываний выполнения программ является базовой при построении любой ОС. Выделяют прерывания первого и второго рода.

Системные причины прерываний первого рода возникают в том случае, когда у процесса, находящегося в активном[43] состоянии, возникает потребность либо получить некоторый ресурс или отказаться от него. К этой группе относят и так называемые внутренние прерывания, связанные с работой процессора.

Системные причины прерываний второго рода обусловлены необходимостью проведения синхронизации между параллельными процессами.

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:

· восприятие запроса на прерывание;

· запоминание состояния прерванного процесса, определяемое значением счетчика команд и других регистров процессора;

· передача управления прерывающей программе, для чего в счетчик команд заносится адрес, соответствующий данному типу прерывания;

· обработка прерывания;

· восстановление прерванного процесса.

С точки зрения пользователя основными функциями операционных систем являются:

· обеспечение автоматического запуска;

· формирование интерфейса пользователя;

· организация и обслуживание файловой системы.

Автоматический запуск дисковых ОС обеспечивается записью на этапе инсталляции (установки) ОС программного кода в специальной (системной) области диска. Обращение к этому коду осуществляют программы BIOS, которые по окончании своей работы дают команду на загрузку и исполнение содержимого системного диска.

Интерфейсы пользователя, предоставляемые ОС пользователю, делятся на терминальные (командные) и графические. Терминальный интерфейс реализован в неграфических ОС, которые поддерживают интерфейс командной строки (MS-DO5). Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно редактировать. Исполнение команды начинается после ее подтверждения, например, нажатием клавиши ENTER.

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве устройства управления, кроме клавиатуры, можно использовать мышь или другое устройство позиционирования. Работа с графической ОС основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления

Первой наиболее полноценной графической ОС была ОС Windows 95, представленная компанией Microsoft в 1995 г.

В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши — графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы: окна, ярлыки, меню, экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки и др. Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. Графический интерфейс ОС не исключает командный интерфейс, который дополняет любой графический, поскольку не все возможности ОС (команды, программы, сервисы) могут быть реализованы в графическом интерфейсе. Окно командной строки в ОС Windows XP вызывается последовательным выбором пунктов: Пуск — Программы — Стандартные— Командная строка.

Организация и обслуживание файловой системы является одной из важнейших функций ОС, обеспечивающей упорядоченное хранение данных на магнитных и оптических носителях, а также доступ к этим данным.

Классификация ОС

Операционные системы различают (рис. 4.3) по особенностям реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера, особенностям использованных методов проектирования, типам аппаратных платформ, сферам применения и др.

Рис. 4.3. Классификация операционных систем

Обобщенная характеристика современной ОС для ПК — сетевая, многопользовательская, многозадачная и даже многопроцессорная. Всем этим критериям соответствуют наиболее широко используемые ОС семейства Windows, выпускаемые компанией Microsoft для ПК начиная с 2000 года. Включение сетевого ядра в ОС персональных компьютеров в первую очередь связано с развитием и массовым использованием глобальной сети Internet.

Однозадачные ОС выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Появление многопользовательских ОС, в первую очередь, связано с решением проблемы разграничения прав доступа пользователей к аппаратным, программным ресурсам ПК, а также данным.

Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую. Альтернативой являются ОС, построенные на базе микроядра, работающего в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС — серверы, работающие в пользовательском режиме. Такие ОС реализуют «клиент-серверную» модель взаимодействия прикладной программы и операционной системы, в которой все обращения пользовательской программы (клиента) к операционной системе обрабатываются специальной программой (сервером).

При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, однако, система получается более гибкой— ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима.

При любом построении программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ. Такие программы называются резидентными.

Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем. В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последовательность команд. В диалоговом режиме ОС находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора. Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, и определяет сущность диалогового режима работы.

Понятие файловой системы

Любые данные, представленные в виде совокупности нулей и единиц, хранятся в памяти компьютера в виде файлов.

Файл (переводится как досье, картотека - file) - поименованная целостная совокупность данных на внешнем носителе.

Для управления файлами и упорядочивания порядка их хранения на носителе используется файловая система, которая является важным элементом компьютера, поскольку от способа организации файлов зависит как скорость доступа к нужному файлу, так и безопасность хранения данных.

Одна и та же операционная система может поддерживать одновременно несколько файловых систем (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Примеры файловых систем

№ п/п	Название файловой системы	Операционная система	Длина имени файла
	FAT[44] (FAT16)	MS-DOS, Windows 95	8 символов латинского алфавита
	VFAT, FAT32	Windows 95 Windows 98	255 символов
	NTFS[45]	Windows NT Windows 2000 Windows XP	255 символов

Основное назначение файловой системы — хранение информации о номерах кластеров, в которых записаны данные конкретного файла.

Кластер — логическое объединение нескольких секторов диска, используемое для ускорения процесса считывания и записи данных. Данные одного файла записываются в целое число кластеров. Таблица распределения файлов как раз и содержит информацию о «закреплении» кластеров за файлами. Все свободные кластеры в FAT-таблицах отмечены нулями. Операционная система хранит две копии таблицы распределения файлов. Каждая запись в таблице размещения файлов содержит следующую информацию:

· имя файла;

· расширение имени;

· код времени создания файла;

· код даты создания файла;

· размер файла;

· номер первого кластера, занимаемого файлом;

· атрибуты файла (его свойства) — архивный, системный, скрытый, только для чтения.

Файловая система FAT не отвечала требованиям по надежности и защищенности, предъявляемым к сетевым и многопользовательским ОС. Поэтому для ОС основанных на ядре Windows NT стандартом стала новая файловая система NTFS, которая помимо стабильности и защищенности обладает рядом других достоинств. Однако NTFS отличается гораздо большим временем доступа к данным и резко возрастает нагрузка на жесткий диск. Кроме того, если преобразование файловой системы из FAT в NTFS выполняется с помощью стандартных программ ОС и без ущерба для данных, то обратное преобразование практически невозможно, т.к. ни одна существующая на сегодняшний день программа не гарантирует полное сохранение информации.

Поддержание файловой системы включает следующие действия:

· создание файлов и присвоение им имен;

· создание каталогов и присвоение имен;

· переименование файлов и каталогов;

· копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами одного диска;

· удаление файлов и каталогов.

Имя каждого файла состоит из 2-х частей: основного имени и расширения. Расширение отделяется от основного имени точкой:

основное_имя. расширение,

например, «informatics.doc».

Правила описания основного имени определяются принятой файловой системой. До появления ОС Windows 95 файлы именовались «короткими» именами, в которых основное имя файла не превышало 8 символов (файловая система FAT), а его расширение — 3 символа. Имя и расширение включали только буквы латинского алфавита и цифры. В частности, такой принцип именования файлов используется в операционной системе MS-DOS. Недостаток коротких имен заключается в низкой информативности имени файла относительно содержимого файла. В Windows 95 было введено понятие «длинного» имени (файловая система VFAT). Такое имя может содержать до 256 символов. Длинное имя может включать любые символы за исключением специальных; «\», «/», «;», «*», «?», «"», «<», «>». Кроме этого, в именах файлов допускаются пробелы и несколько точек (файловые системы FAT32, NTFS и др.).

Расширение имени файла используется для идентификации его содержимого операционной системой. Операционная система содержит информацию о зарегистрированных расширениях (типах) файлов (рис. 4.4). По расширению имени файла операционная система определяет тип данных и программу для редактирования файлов с таким расширением. Поэтому выбор расширения файла во многих случаях не является произвольным. Вместе с тем операционная система Windows позволяет регистрировать новые расширения имен файлов (нестандартные) и указывать программы, с помощью которых они открываются. Однако при переносе такого файла на другой компьютер он не будет распознан операционной системой, поскольку в ней данное расширение (нестандартное) не зарегистрировано.

Рис. 4.4. Фрагмент списка зарегистрированных расширений файлов

Для более удобной работы с данными файлы объединяют по определенным признакам в группы, например, по принадлежности разным пользователям или по общей тематике содержимого и т.д. Группа файлов, для которой вводится общее имя, называется каталогом («директорией» от англ. directory). В операционной системе Windows каталоги называются папками. Имя каталога (папки), в отличие от имени файла, не включает расширение.

В каталог, кроме файлов, могут также входить другие каталоги (подкаталоги первого уровня), которые, в свою очередь, могут включать в себя как файлы, так и каталоги (подкаталоги 2-го уровня) и т.д. По такому принципу формируется иерархическая структура — дерево каталогов (рис. 4.5), включающее на самом верхнем уровне единственный главный каталог (корневой каталог, root directory), к которому сходятся многочисленные ветви подкаталогов

Рис. 4.5. Дерево каталогов.

Физический диск — это реальный физический носитель данных, имеющий имя. В качестве имен физических дисков принято использовать буквы латинского алфавита;

А и В — гибкие магнитные диски;

С— жесткий магнитный диск;

D — оптический диск (если есть) и т.д.

Логический диск — это виртуальный диск на физическом диске или часть физического диска. Например, жесткий магнитный диск можно разбить на несколько логических дисков, имена которых будут соответственно С, D, E, F и т.д. В этом случае лазерный диск будет именоваться следующей буквой — G. Если жесткий диск не разбит на два и более логических диска, то он содержит один логический диск С.

Пользователь работает с каждым логическим диском как с отдельным устройством, хотя на самом деле логический диск может являться частью физического диска. Логический диск также является каталогом самого высокого уровня— корневым каталогом.

В файловых системах, поддерживающих длинные имена, используется понятие полного имени (рис. 4.6), включающего, помимо имени файла (основное имя и расширение), путь доступа к файлу (включает имя диска, последовательность вложенных каталогов, разделенных символом \ и имя файла).

Имя диска	Путь (каталоги)	Имя файла
С:\TULGU\Fakultet Ek I Pr\1 kurs\Spisok grupp.doc
	1-й уровень	2-й уровень	3-й уровень	собственное имя	расширение

Рис. 4.6. Полное имя файла

Поддержание файловой системы, помимо ранее перечисленных функций над файлами и каталогами (создание, удаление и т.д.), включает следующие действия:

· исправление ошибок в хранимых данных;

· разграничение прав доступа пользователей к файлам и папкам;

· навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу;

· управление атрибутами файлов и каталогов.

Первые два действия относятся к файловой системе NTFS (Windows NT, Windows 2000, Windows XP). Файловая система NTFS включает средства, отслеживающие целостность хранимых данных, а также средства автоматического исправления ошибок в файловой системе и замены дефектных секторов при обнаружении ошибок.

Разграничение прав доступа пользователей реализуется путем установки дополнительных атрибутов (свойств) файлам и папкам и отслеживания соответствия между свойствами объекта и правами пользователя.

Навигацию (перемещение от одного файла к другому) по файловой структуре можно выполнять путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога в каталог. Такой подход является неприемлемым для большинства пользователей, поскольку требует знания специальных команд и формата их записи. В связи с этим широкое применение нашли специальные программы, называемые файловыми оболочками. В операционных системах семейства Windows навигация по файловой структуре осуществляется с помощью программы Проводник (Explorer).

Кроме имени и расширения файла, операционная система посредством файловой системы хранит для каждого файла и каталога дату его создания и набор атрибутов.

Атрибуты— это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов и каталогов. Операционная система позволяет их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами. В большинстве файловых систем стандартными атрибутами файлов и каталогов являются следующие атрибуты:

· «только для чтения»;

· «скрытый»;

· «системный»;

· «архивный».

Атрибут «Только для чтения» ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений. Файл можно просматривать и изменять, однако пользователю будет отказано в сохранении изменений. Файл, открытый только для чтения, может быть сохранен под другим именем. При этом действие атрибута «только чтение» не распространяется на новый файл.

Атрибут «Скрытый» указывает, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного повреждения файла. Этот атрибут можно присвоить любому файлу или каталогу.

Атрибут «Системный» используется для файлов, связанных с функционированием операционной системы. Управляет данным атрибутом операционная система.

Атрибут «Архивный» используется для установления факта изменения содержимого файла или каталога, подлежащего резервному копированию. При любых изменениях файла данный атрибут автоматически устанавливается. Сброс атрибута выполняется автоматически после выполнения операции резервного копирования. Однако, поскольку современные программы резервного копирования используют другие признаки для установления факта изменения файла, то данный атрибут не принимается ими во внимание.

Сетевое ПО

Сетевое программное обеспечение является составной частью системного ПО и предназначено для управления общими ресурсами в распределенных вычислительных системах. Общими ресурсами, как правило, являются сетевые накопители на магнитных и оптических дисках, принтеры, сканеры и др. аппаратные средства. Кроме этого, к общим ресурсам относятся программы и данные.

К сетевому ПО относят ОС, поддерживающие работу компьютера в сетевых конфигурациях (так называемые сетевые ОС), а также отдельные сетевые программы (пакеты), используемые совместно с обычными— несетевыми ОС.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. В узком смысле сетевая ОС — это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети. Сетевая ОС отдельного ПК включает несколько частей (рис. 4.7):

· средства управления локальными ресурсами компьютера реализуют функции ПК в локальном (изолированном от других ПК) режиме;

· средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование (серверная часть сетевой ОС) обеспечивают обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных, управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам и т.д.;

· средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование (клиентская часть сетевой ОС) формируют и перенаправляют в сеть запросы к удаленным ресурсам от приложений и пользователей.

· коммуникационные средства ОС реализуют обмен сообщениями в сети, обеспечивая адресацию сообщений и выбор маршрута передачи сообщений по сети.

Рис 4.7. Структура сетевой операционной системы

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.