Операционные системы

Операционная  система (ОС) - программа или совокупность программ, управляющая основными действиями ЭВМ, ее периферийными устройствами и обеспечивающая запуск всех остальных программ, а также взаимодействие с оператором.   

Функции ОС: 

• Управление памятью;
• Управление доступом к устройствам ввода-вывода;
• Управление файловой системой;
• Управление взаимодействием процессов, диспетчеризация процессов;
• Управление использованием ресурсов;
• Загрузка программ в оперативную память и их выполнение;
• Интерфейс с пользователем;
• Межмашинное взаимодействие (сеть);
• Защита самой системы и пользовательских данных и программ;
• Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы.

Многозадачность (multitasking, multiprogramming) - свойство операционной системы и ЭВМ, при которой один процессор может обрабатывать несколько разных программ или разных частей одной программы одновременно. При этом все программы вместе удерживаются в оперативной памяти и каждая выполняется за какой-то период времени. Например, одна программа может работать, пока другие ожидают включения периферийного устройства или сигнала (команды) оператора. Способность к многозадачности зависит в большей степени от операционной системы, чем от типа ЭВМ. Наиболее распространенной многозадачной системой является Unix фирмы AT&T’s Bell Laboratories (США).  

Виды  ОС:

• Многопользовательская система, система с коллективным доступом, система коллективного доступа (multiuser system, multiaccess system) - вычислительная система или ее часть (например операционная система), позволяющая нескольким пользователям одновременно иметь доступ к одной ЭВМ со своего терминала (локального или удаленного). Многопользовательский характер работы достигается благодаря режиму разделения времени, который заключается в очень быстром переключении ЭВМ между разными терминалами и программами и соответственно быстрой отработке команд каждого пользователя. При этом последний не замечает задержек времени, связанных с обслуживанием других пользователей. Примерами разработок указанного вида могут служить помимо Windows операционные системы: NetWare, созданная и развиваемая фирмой Novell (США) для локальных информационных вычислительных систем; Unix фирмы AT&T’s Bell Laboratories (США); REAL/32 и др.
• Однопользовательская система (one user system) -  операционная система, не обладающая свойствами многопользовательской. Примерами однопользовательских ОС являются MS DOS фирмы Microsoft (США) и ОС/2, созданная совместно Microsoft и IBM.
• Сетевая операционная система, СОС (NOS, Network Operating System) - операционная система, предназначенная для обеспечения работы вычислительной сети. Примерами сетевых операционных систем являются Windows NT, Windows 2000, Novel Netware, Unix, Linux и др.

Типы  ОС:

• графические (с наличием графического пользовательского интерфейса - GUI) - текстовые (только командная строка);
• бесплатные - платные;
• открытые (с возможностью редактировать исходный код) - закрытые (без возможности редактировать исходный код);
• клиентские - серверные;
• высокая стабильность (устойчивость к сбоям аппаратной части)- низкая стабильность;
• простая в администрировании (для рядового пользователя) - сложная, для системных администраторов;
• 16-разрядная - 32-разрядная - 64-разрядная (в далеком прошлом были еще и 8-разрядные);
• с высоким уровнем безопасности данных - с низким уровнем безопасности;

Понятие операционной системы  

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. (Многие встроенные компьютеры и даже некоторые игровые приставки на самом деле работают под управлением своих ОС).  

Операционные  системы, в свою очередь, нужны, если:

• вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., 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, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, 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, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);
• наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы). Таким образом, современные универсальные ОС 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 ОС. В составе ОС различают  три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевую подсистему, файловую систему;
• системные библиотеки и
• оболочку с утилитами.

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

Текущая редакция стандарта на ОС содержит определения  около тысячи системных вызовов и других библиотечных подпрограмм (часть из которых должна реализоваться только в определённых классах систем; напр., в системах «реального времени») и около 200 команд оболочки и утилит ОС. Стандарт определяет лишь функции вызовов и команд, и не содержит указаний относительно способов их реализации.

Стандарт, кроме  этого, определяет способ адресации  файлов в системе, локализацию (установки, касающиеся национально-специфических  моментов, таких, как язык сообщений  или формат даты и времени), совместимый  набор символов, синтаксис регулярных выражений, структуру каталогов  в файловой системе, формат командной  строки и некоторые другие аспекты  поведения ОС.

В определении  состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.  

История развития ОС  

Предшественником  ОС следует считать служебные  программы (такие, как загрузчики), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).  

В 1950-60-х годах  сформировались и были реализованы  основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и системы.  

Развитие "нормальных ОСей" началось в 1965 году. Самой первой операционной системой является Multics, в последствии на его основе был создан Unix. Multics использовался на компьютерах, которые применялись для создания мультфильмов. Не имея перспективы развития, проект операционной системы был закрыт, а ее создатели стали создавать новые программы и даже что-то похожее на операционные системы.  
 
Более менее нормальное творение удалось создать Кену Томпсону. В 1969 году он написал игру Space Travel, которая не имела совершенно никакого успеха и перспектив развития у нее небыло. Но это сильно сказано - небыло. Взявшись за свое детище, Кен Томпсон стал модернизировать операционную систему Multics для работы игры. Позже операционная система получила название Unics (от названия операционной системы Multics), а еще позже - UNIX.  
 
Операционная система была написана с использованием языка программирования - ассемблер, не имела графического интерфейса, работала в режиме командной строки. Отличалась от предыдущей надежностью. Это качество сохранилось и до теперешних времен. В ней имелся командный интерпритатор BASH - Bounre Again SHell, позволяющий работать в среде операционной системы. Немного позже Кен Томпсон и его соратники по созданию Unix, стали продавать свою систему, как вполне устойчивый коммерческий проект.  
 
Одной из первых операционнйх систем для персональных компьютеров была CP/M (Control Program/Microcomputer) - Управляющая Программа/Микрокомпьютер, созданная для компьютеров с 8-разрядными процессорами Intel 8080, Intel 8085, Z-80. Создатель системы: Гарри Килдэл, в последующем основатель компании Digitasl Research. При создании персональных компьютеров в 1981 году компания обратилась к IBM Digital Research с предложением создать для IBM PC 5150 операционную систему с графическим интерфейсом. Те отказались помогать, и поэтому компания IBM обратилась за помощью к фирме Microsoft, которая с 1982 года начинает выпускать для IBM-совместимых персоналок операционне системы MS-DOS (Microsoft Discs Opereating System).  
 
Почуствовав запах больших денег за счет успеха MS-DOS, компания Microsoft приступает к разработке операционной системы с графическим интерфейсом. Это было в 1983 году. Именно тогда команда, специализирующаяся по созданию программ для MS DOS, начинают заниматься созданием новой ОС уже с графическим интерфейсом.  
 
Графический интерфейс - это оболочка, позволяющая использовать для выполнения программ графические элементы, которые можно видеть на экране монитора. К таким элементам можно отнести ярлыки, ссылки, кнопки меню, контекстные меню, Главное меню, рабочий стол и, разумеется, окна. Всеми этими элементами можно управлять и даже запрограммировать все эти элементы на какие-нибудь действия (если это позволяет операционная система). Уже не надо искать на клавиатуре клавиши букв при вводе команд с клавиатуры и ожидать результата выполнения той или иной команды. Достаточно щелкнуть мышкой по тому или иному элементу - и тем самым сразу запускается программа, на которую указывает элемент. Программа работала уже не в консольком режиме, а в оконном - программа запускалась в графическом окне, для управления программой стало возможным использовать кнопки управления, которые запускались при запуске той или иной программы. Окно можно свернуть, развернуть и закрыть - это основные свойства окон. Конечно все вышеперечисленные элементы графического интерфейса свойственны только современным операционным системам, в первых графических операционных системах таких элементов небыло.  
 
Первой операционной системой с поддержкой графического интерфейса пользователя (GUI, Graphical User Interface - полное название графического интерфейса) стала операционная система Macintosh (сокращенно - Mac), разработанная для компьютеров Apple PC. Такой интерфейс создавался в пределах компании Apple и никто не имел никакого права копировать эту систему и устанавливать ее на компьютерах, не совместимых с Apple. Этот интерфейс был весьма удобным, появился рабочий стол, окна, раскрывающиеся меню и пиктограммы ярлыков позволяли использовать компьютер с максимальным удобством. Впервые такой графический интерфейс был разработан в компании Apple в 1983 году, а его продажа и даже реклама компьютера Apple с графической ОС Macintosh прошла по Американскому телевидению в 1984 году.  
 
Лишь 20 ноября 1985 года компания Microsoft представила свою "операционную систему" Windows 1.0 на выставке компьютерных технологий в Лас-Вегасе. Данная операционная система была очень "сырой", ее даже назвать полноценной операционной системой - это было бы просто самообманом. Windows 1.0 был построен с использованием DOS, фактически он являлся полноценной надстройкой DOS - графический проводник, позволяющий выполнять простейшие задачи над файлами и запускать программы после одного щелчка мышки по пикрограмме программы. В системе была так же реализована панель управления. На этом собственно удобство ОС заканчивалось. Система работала на компьютере с процессором i286. Позже последовал проект Windows 2.0, за ним Windows NT (New Technologies), Windows 3.0. Настоящий успех начался с операционными системами с выходом версии Windows 3.0.

 
Несколько слов о так называемых программах-надстройках DOS. Это программы, запускаемые при запуске операционной системы, позволяющие выполнять операции по редактированию текста с помощью специального редактора, копирование, перемещение, переименование и удаление файлов и каталогов с носителей информации и тому подобные операции. В таких надстройках была реализована мышка, клавиатурные комбинации клавиш, а для еще большего удобства были задействованы специальные функциональные клавиши - это 12 клавиш, подписанные как F1, F2, F3 и так далее, находятся и на современных клавиатурах над группой буквенно-цифровых клавиш. Пример подобных программ - Norton Commander производства Symantec Corporation. Подобные программы существуют и сейчас и активно используются на серверах при администрировании. Подобные Nortonу: Volkov Commander, Far, Windows Commander.  
 
В 1986 году компания IBM и Microsoft объеденили свои усилия с целью создания качественного программного обеспечения. Результатом их работы стала операционная система OS/2.