Понятие операционной системы

Система программирования [Programming System, Development System, Supporting System] – совокупность (комплекс) системных программ и средств, предназначенных для разработки, отладки и исполнения нового программного обеспечения (ПО) на конкретном языке программирования.

Системы программирования и Среды программирования

Даже при наличии десятков тысяч программ для компьютеров пользователям может потребоваться что-то такое, чего не делают (или делают, но не так) имеющиеся программы. В этих случаях следует использовать системы программирования.

Среда программирования [ Programming Environment ] или Интегрированная среда разработки (ИСР) [ Integrated Development/Debugging Environment = IDE ] – система программных средств, используемая программистами для разработки нового программного обеспечения.

Операционные системы и среды

1. Под операционной системой (ОС) обычно понимают комплекс управляю­щих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой – предназначен для наиболее эффективного использования ресур­сов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно рабо­тает под управлением ОС.

Как видно из рис. 2, ни один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой ОС, не име­ет непосредственного и полного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователи взаимодействуют со своими программами через интерфейс ОС. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала проходят че­рез ОС.

С 1990-х годов наиболее распространёнными ОС являются:

1) системы семейства Microsoft Windows (в настоящее время – Windows XP и Windows 7);

2) системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами – с одной стороны – и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.

В большинстве вычислительных систем ОС является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения.

Основные функции, которые выполняет ОС:

1) прием от пользователя (или от оператора системы) заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке – в виде директив (ко­манд) оператора или в виде указаний (своеобразных команд) с помощью соответствующих манипуляторов (например, с помощью мыши), – и их обработка;

2) прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, оста­новку других программ;

3) загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

4) инициация программы (передача ей управления, в результате чего процес­сор исполняет программу);

5) идентификация всех программ и данных;

6) обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эф­фективность всего программного обеспечения;

7) обеспечение мультипрограммного (мультизадачного, многопрограммного, многозадачного) режима, то есть выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающего видимость их одно­временного исполнения;

8) обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями ввода/вывода;

9) удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реаль­ного времени (характерно для соответствующих ОС);

10) распределение памяти, а в большинстве современных систем и организа­ция виртуальной памяти;

11) планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стра­тегией и дисциплинами обслуживания;

12) организация механизмов обмена сообщениями и данными между выпол­няющимися программами;

13) защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных;

14) предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

15) обеспечение работы систем программирования, с помощью которых поль­зователи готовят свои программы.

· Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

· Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

· Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

· Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

· Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

· Обеспечение пользовательского интерфейса.

· Сохранение информации об ошибках системы.

· Сетевые операции, поддержка стека протоколов.

Дополнительные функции:

· Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

· Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

· Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

· Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

· Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

· Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

· Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация).

Существуют две группы определений ОС: «совокупность программ, управляющих оборудованием» и «совокупность программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который, однако, становится ясен только при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны операционные системы.

Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки – также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры – могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. Тем не менее, некоторые микрокомпьютеры и игровые приставки всё же работают под управлением особых собственных ОС. В большинстве случаев, это UNIX-подобные системы (последнее особенно верно в отношении программируемого коммутационного оборудования: файрволов, маршрутизаторов).

Операционные системы нужны, если:

· вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

· различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция – тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

· между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;

· необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);

· оператор должен иметь возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды – оболочка и наборы утилит – они могут являться частью операционной системы.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

· использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),

· многопользовательские (с разделением полномочий),

· многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

· ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

· системные библиотеки;

· оболочка с утилитами.

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Дата добавления: 2014-01-07