Операционные системы: назначение и основные функции

Понятие Операционной системы

Операционная система (ОС) – комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных и программных частей компьютера между собой и взаимодействие пользователя и компьютера.

ОС обеспечивает целостное функционирование всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к аппаратным возможностям компьютера. Операционная система является базовой и необходимой составляющей ПО компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

Состав ОС

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС) - управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

т .е. переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятый компьютеру

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

т .е. запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т.д.

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

т .е. специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами. Любому устройству соответствует свой драйвер.

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером

т.е. такие программы позволяют обслуживать диски, выполнять операции с файлами, работать в компьютерных сетях и т.д.

Назначение Операционной системы

ОС предназначена для решения следующих задач:

обслуживания аппаратуры компьютера;

создания рабочей среды и интерфейса пользователя;

выполнения команд пользователя и программных инструкций;

организации ввода/вывода, хранения информации и

управления файлами и данными.

Согласно определению, все задачи, решаемые ОС, можно разбить на две группы:

предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной (т.е. реально не существующей) машины, с которой удобнее работать и которую легче программировать;

повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Функции Операционной системы

Основные функции:

Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

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.

Сетевые операции, поддержка стека сетевых 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.

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), 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 файловые системы.

Операционная система DOS

DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.)

С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. ОС DOS позволила успешно работать с ПК на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOSвыступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – так появились программы-оболочки.

Оболочка – это программа, которая запускается под управлением ОС и помогает пользователю работать с ОС. Программа-оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно искать, копировать, перемещать, удалять сортировать, изменять и запускать всего несколькими клавишами. Одна из самых распространенных – Norton Commander(NC). В графических оболочках Windows 3.1 и Windows 3.11 применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану, закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу.

В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может содержать не более 8 символов. Кроме того DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами.

Так как DOS была создана очень давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым сегодня к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры.

Операционная система MICROSOFT WINDOWS

Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой.

Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек:

Многозадачность;

Единый программный интерфейс;

Единый интерфейс пользователя;

Графический интерфейс пользователя;

Единый аппаратно-программный интерфейс.

На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера.

В MS Windows для хранения файлов используется файловая модификация FAT–VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов.

В ОС Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор «мышь», в MS DOS используется только клавиатура.

Также в MSWindowsприсутствует панель задач (Taskbar). Она делает нагляднвм механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями.

Рабочий стол Windows сконструирован так, чтобы максимально облегчить работу пользователя-новичка и в то же время предоставить максимальные возможности его настройки в соответствии с конкретными нуждами опытных пользователей.

Операционная система LINUX

Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows.

Будучи традиционной оперативной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя ПК скорость, Эффективность и гибкость UNIX, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста.

С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования.

Операционные системы UNI X

UNIX– группа переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

Первая система UNIX была разработана в 1969 г. в подразделении Bell Labs компании AT&T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем.

Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя:

использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;

широкое применение утилит, запускаемых в командной строке;

взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства - терминала;

представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия как файлов;

использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу.

UNIX- системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения. Также, в ходе разработкиUNIX- систем был создан язык Си.

ОС- это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.

К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессы, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Для решения задач управления ресурсами разные ОС использую различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС.

Итак, в число требований, предъявляемых сегодня к сетевым ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, переносимость и многоплатформенность, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность отказоустойчивость, безопасность и производительность.

У новых компьютерных пользователей обычно возникает масса вопросов, на которые необходимо получить ответы в наиболее понятной и доступной форме. Одним из них является следующий: "Что такое операционная система?". Давайте разберемся в нем.

Что такое и в чем состоит ее предназначение?

Она представляет собой специализированную оболочку, предназначенную для управления компьютером, запуска программ, обеспечения эффективной защиты хранимых на компьютере данных, выполнения разнообразных сервисных функций по запросам от программ и пользователей. Услугами пользуется любая программа, поэтому работа может осуществляться исключительно под управлением определенной ОС. Только при выполнении этого условия можно рассчитывать на слаженную деятельность компьютера.

Обязательные части, входящие в состав следующие:

Ядро, которое представляет собой командный интерпретатор, то есть своеобразный переводчик, переносящий запросы от пользователей или программ в понятный для физических компонентов компьютера вид;

Специализированные программные компоненты, ориентированные на управление разнообразными устройствами, которые включены в состав компьютера, их принято называть драйверами;

То есть удобная оболочка, посредством которой и осуществляется основное общение.

Что такое операционная система и что входит в ее состав?

ОС представляет собой комплекс, сформированный из связанных между собой программ, который предназначен для организации удобного взаимодействия пользователя и компьютера, а также для выполнения остальных программ. Важно понимать, что установка второй операционной системы возможна только на другой так как у каждой из них имеются собственные модули и компоненты. Можно рассмотреть которая состоит из вполне конкретных компонентов и модулей:

Ядро системы или базовый модуль предназначен для управления работой программы и файловой системы, обеспечивая удобный доступ к ней, а также обмен файлами между периферийными устройствами;

Командный процессор создан для расшифровки и исполнения пользовательских команд, которые поступают обычно посредством клавиатуры;

Драйвера для предназначены для обеспечения согласованности работы устройств и процессора, они необходимы в связи с тем, что каждое из периферийных устройств обрабатывает информацию по-разному и с разной скоростью;

Утилиты, представляющие собой дополнительные сервисные программы, делающие процесс пользовательского общения с компьютером многосторонним и максимально удобным.

Если с тем, что такое операционная система, все более или менее понятно, то можно рассмотреть вопросы, связанные с ее загрузкой. Файлы, входящие в состав ОС, хранятся на диске. Известно, что для выполнения программ они должны находиться в оперативной памяти. Для начала должна быть выполнена программа загрузки, изначально отсутствующая в оперативной памяти. И тут есть выход - ОС поэтапно загружается в оперативную память.

Первый отрезок системы загружается из где находятся все программы тестирования блоков питания ПК. Они выполняются моментально после поступления первых токовых импульсов. В это же время на начальном секторе диска запускается программа загрузки, берущая управление на себя. Это приложение ищет базовый модуль ОС, а потом передает ему управление. Загрузчик из базового модуля отыскивает все остальные компоненты и загружает их в ОЗУ. Когда ОС загружена, управление вручается командному процессору, после чего пользователь может вступать во взаимодействие с системой. Мобильные операционные системы работают по схожему принципу, однако, с некоторыми видоизменениями, связанными с особенностью устройств.

Такой принцип распространяется абсолютно на все современные ОС.

Операционная система (ОС) представляет собой программный комплекс, обеспечивающий взаимодействие между пользователем и аппаратной частью компьютера. Например, Windows, Linux и Mac OSX. Если чуть проще, то система это набор программных кодов, который позволяет вам запускать программы на вашем компьютере, отображать графику на мониторе, воспринимать и интерпретировать сигналы от мышки и клавиатуры, передавать на печать документы, заходить в интернет и прочее. Тем не менее, это не просто набор разрозненных утилит, а нечто большее, но обо всем по порядку

Примечание : Статья предназначена для начинающих и обычных пользователей.

Примечание : Наиболее популярными операционными системами являются Windows, различные сборки Linux и Mac OSX.

Назначение и типы операционной системы

В основном, операционная система имеет следующее назначение:

1. Осуществление управления аппаратными устройствами компьютера, включая передачу и прием информации из периферийных устройств. Другими словами, координирует функционирование всей аппаратуры, осуществляет контроль за выполнением и прочее

2. Обеспечение интерфейсов или же возможностей для передачи инструкций от программ на аппаратные устройства. Например, чтобы игрушки могли использовать видеокарту

3. Является прослойкой между пользователем и компьютером

4. Не обязательное условие, но сегодня есть практически в любых операционных системах. Предоставление дополнительных возможностей для пользователей. Например, организация разграничения доступа (безопасность)

Операционные системы принято делить на 4 типа:

1. Однопользовательская однозадачная. Как и следует из названия, система предназначена для одного пользователя и для выполнения одной задачи

2. Однопользовательская однозадачные с дополнительной фоновой задачей. Позволяют запускать в фоне еще одну дополнительную задачу. Как правило, фоновой задачей является печать

3. Однопользовательская многозадачная. Поддерживает только одного пользователя, но позволяет запускать сразу несколько задач

4. Многопользовательская многозадачная. Тут все просто. Много пользователей, которые запускают много задач.

Обратите внимание, что многопользовательских однозадачных систем в принципе не может быть, так как каждый пользователь на компьютере подразумевает собой отдельную задачу в операционной системе.

Кроме того, операционные системы бывают 32-х и 64-х битные .

Из чего состоит операционная система

Как уже говорилось, операционная система - это программный комплекс, который позволяет использовать устройства вашего компьютера. Поэтому он разделяется на несколько разных уровней.

Если кратко, то операционная система обычно состоит из следующего:

2. Драйвера

3. Сервисы или пакеты инструментов

4. Оболочка

5. Командный модуль

Примечание : Стоит знать, что операционные системы для микроконтроллеров могут содержать не все из вышеперечисленного (просто нет необходимости).

А теперь, рассмотрим по порядку:

Ядро - это самая важная часть операционной системы. Оно содержит все необходимые механизмы для координации и управления всеми остальными компонентами.

Драйвера - это программные коды (не обязательно программа или библиотека), которые позволяют ядру операционной системы корректно взаимодействовать с аппаратными устройствами. Стоит знать, что есть стандартные драйвера, которые обеспечивают минимальный набор возможностей, и драйвера от производителей, которые позволяют по максимуму использовать устройства.

Сервисы или пакеты инструментов - это отдельные программы, которые позволяют операционной системе предоставлять дополнительные возможности.

Оболочка - это тот интерфейс, который видит пользователь. Именно благодаря ему пользователь может запускать программы и выполнять прочие действия.

Командный модуль - это пользовательская программа, которая запускается в операционной системе.

Что происходит внутри операционной системы

Все взаимодействие внутри операционной системы построено на так называемых системных вызовах, которые представляют собой прослойку между запросами программ пользователей и устройствами компьютера. Как это происходит. Пользователь запускает программу, та в свою очередь посылает системный вызов сервсисам операционной системы. Например, "открой файл для чтения". Сервисы осуществляют обращение к ядру системы, которое далее обращается через драйвера к устройствам компьютера. В случае с примером, к драйверу жесткого диска, который в последствии посылает команды устройству.

Аппаратные устройства компьютера имеют схожий принцип, только у них все построено на прерываниях, которые представляют собой специальные сигналы, указывающие на определенные действия. Например, окончание выполнения задачи, подготовка перед передачей данных и прочее.

Такой подход позволяет операционной системе обеспечивать жизнестойкость при возникновении ошибок. Тем не менее, если же ошибки возникают на уровне ядра, то система обычно аварийно завершает выполнение. Например, в Windows это синий экран смерти .

Как операционная система загружается

Операционная система загружается в несколько этапов:

1. Вначале встроенная система компьютера (

Сегодня огромная часть населения земли на постоянной основе взаимодействует с компьютерами, кого-то обязывает работа, кто-то ищет информацию в Сети, а кто-то просто проводит время в играх. У каждого свои потребности, а значит, компьютер должен им соответствовать. И если речь идет о “железе” (технической составляющей компьютера), то тут все более менее ясно: чем новее, тем лучше. Но вот “софтовая” (программное обеспечение) часть, требует особого внимания.

Каждый компьютер работает под управлением определенной операционной системы, коих великое множество, каждая из которых подходит для тех или иных задач, доступного оборудования и так далее. Поэтому немаловажным фактором является выбор этой операционной системы.

Существует достаточно массивный список операционных систем, но в данном материале речь пойдет о трех столпах, сильно повлиявших на индустрию и занимающих основную долю среди всех операционных систем: Windows, MacOS и Linux.

Проприетарные операционные системы

Для начала стоит уточнить, что есть ОС проприетарные, те, что распространяются по лицензии производителя. К таковым относятся Windows, список которых изложен ниже, и MacOS. Несмотря на то что обе системы можно загрузить в Сети (украсть), правильным будет приобрести лицензию у компании-распространителя и активировать ее.

Преимуществом таких систем является их развитость, огромное количество качественного программного обеспечения и грамотная техподдержка, которая поможет в случае неполадок.

“Свободные” операционные системы

К таковым относится практически все семейство Linux, за исключением разве что некоторых разработок с бухгалтерским или другим профессиональным программным обеспечением. Эти ОС можно загрузить абсолютно бесплатно и установить на любой компьютер без зазрения совести.

Подобные системы создаются независимыми разработчиками совместно с сообществом, посему в большинстве случаев качество программ оставляет желать лучшего, зато такие системы гораздо больше защищены и работают стабильнее своих проприетарных конкурентов.

Windows

Абсолютно все, кто хоть раз имел дело с компьютером, знают об этом продукте компании Microsoft. В частности это касается сверхуспешного релиза Windows 7. Список операционных систем Microsoft насчитывает уже десяток поколений. Они крайне популярны во всем мире и занимают почти 90% рынка. Что говорит о беспрецедентном лидерстве.

• Windows XP;
• Windows Vista;
• Windows 7;
• Windows 8;
• Windows 10;

Список намеренно начинается с Windows XP, так как это самая старая версия, оставшаяся в употреблении до сегодняшнего дня.

Chrome OS

Слаборазвитый продукт от компании Google, который ограничен лишь веб-приложениями и одноименным браузером. Это система не является конкуретоспособной в сравнении с Windows и Mac, но сделана с прицелом на будущее, когда веб-интерфейсы смогут заменить “реальное” программное обеспечение. По умолчанию установлена на всех компьютерах Chromebook.

Установка нескольких систем и использование виртуальных машин

Так как каждая платформа имеет свои плюсы и минусы, нередко возникает необходимость работать сразу с несколькими. Разработчики компьютеров об этом знают, поэтому предлагают пользователям возможность установить на диск сразу две или три системы.

Делается это просто. Необходим лишь дистрибутив системы (диск или флешка с загруженным на их установочным материалом) и свободное пространство на жестком диске. Все современные операционные системы предлагают во время установки распределить место и создать загрузочный механизм, который покажет список операционных систем при загрузке компьютера. Все выполняется в полуавтоматическом режиме и под силу любому пользователю.

На компьютерах Apple имеется специальная утилита - BootCamp, которая разработана для простой и бесшовной установки Windows рядом с MacOS.

Существует и другой способ - установка виртуальной системы внутри реальной. Для этого используются программы: VmWare и VirtualBox, способные эмулировать работу полноценного компьютера и запускать операционные системы.

Вместо заключения

Список операционных систем для компьютера не ограничивается вышеизложенными. Существует масса продуктов от разных компаний, но все они довольно специфичны и не заслуживают внимания рядового пользователя. Выбор стоит делать между Windows, MacOS и Linux, так как они могут закрыть большую часть потребностей и достаточно просты в освоении.

Linux, Windows, Mac OS? Зачем они нужны? Понимание того, как работают операционные системы, поможет создавать качественные приложения.

Есть несколько причин, почему программистам стоит знать, как работают операционные системы. Одна из них – чтобы понимать, как работают программы. Представьте: вы пишете код, который кажется рабочим, но программа тормозит. Что делать? Можно попробовать разобраться с ограничениями операционной системы, но вы ведь не умеете!

Если стремитесь построить карьеру программиста, стоит понять, как работают операционные системы. Например, можно изучить курс «Введение в операционные системы» от Georgia Tech. В нем рассказывается, как работают ОС: механизмы работы, параллельное программирование (потоки и синхронизация), взаимодействие между процессами, распределённые ОС.

Осветим 10 наиболее важных принципов, о которых говорилось в курсе Udacity, и разберемся как же работают операционные системы.

Что такое операционная система

Это первое, о чем нужно задуматься, если вы решили разобраться, как работают операционные системы. ОС представляют собой набор программного обеспечения. Это ПО управляет компьютерным оборудованием и предоставляет техническую базу для программ. А ещё они управляют вычислительными ресурсами и обеспечивают защиту. Главное, что у них есть, – это доступ к управлению компонентами компьютера.

Файловая система, планировщик и драйверы – всё это основные инструменты работы ОС.

Существует три ключевых элемента операционной системы:

1. Абстракции (процессы, потоки, файлы, сокеты, память).
2. Механизмы (создание, управление, открытие, запись, распределение).
3. Реализации (алгоритмы LRU, EDF).

Кроме того, есть два основных принципа проектирования операционных систем:

1. Максимальная гибкость: отделение механизмов от конкретных реализаций.
2. Ориентация на пользователей: на каких устройствах будет работать ОС, что нужно пользователю, каковы требования к производительности.

Теперь подробнее разберём глобальные концепции, которые помогут сформировать понимание того, как работают операционные системы.

Процессы и управление

Процесс – не что иное, как исполнение программы. Так как программа записана в виде последовательности действий в текстовый файл, процессом она становится только при запуске.

Загруженная в память программа может быть условно разделена на четыре части: стек, кучу, контекст и данные.

• Stack: стек процесса содержит временные данные, такие как параметры метода, адрес возврата и локальные переменные.
• Heap: это динамически распределяемая память процесса времени его выполнения.
• Text: хранит состояние регистров, состояние программного счетчика, режим работы процессора, незавершенные операции ввода-вывода, информацию о выполненных системных вызовах.
• Data: раздел содержит глобальные и статические переменные.

Когда процесс выполняется, он проходит через разные состояния. Эти этапы могут различаться в разных операционных системах.

Общая картина выглядит так:

• Start: начальное состояние при создании процесса.
• Ready: процесс ожидает исполнения на процессоре. В течение работы процессор может переключаться между процессами, переводя одни в режим готовности, другие – в режим исполнения.
• Running: выполнение инструкций.
• Wait: процесс переходит в состояние ожидания. Например, ждёт ввода данных или получения доступа к файлу.
• Terminated: как только процесс завершится, он перейдёт в это состояние и будет ожидать удаления.

Немного терпения: мы уже близки к пониманию того, как работают операционные системы 😉

Блок управления процессов (Process Control Block) – это структура данных, поддерживаемая операционной системой для каждого процесса. PCB имеет идентификатор PID. Именно PCB хранит всю информацию, необходимую для отслеживания процесса.

• Process ID: идентификатор каждого из процессов в ОС.
• State: текущее состояние процесса.
• Privileges: разрешения доступа к системным ресурсам.
• Pointer: указатель на родительский процесс.
• Priority: приоритет процесса и другая информация, которая требуется для планирования процесса.
• Program Counter: указатель на адрес следующей команды, которая должна быть выполнена.
• CPU registers: регистры процессора, необходимые для состояния исполнения.
• Accounting Information: уровень нагрузки на процессор, статистика и другие данные.
• I/O Information: список ресурсов, использующих чтение и запись.

Потоки и параллелизм

Поток (нить, thread) – это ход исполнения программы. Он также имеет свой program counter, переменные, стек.

Потоки одной программы могут работать с одними данными, а взаимодействовать между собой через код.

Поток – это легковесный процесс. Вместе они обеспечивают производительность приложений и ОС за счет параллелизма на уровне программы.

Каждый поток относится к какому-то процессу и не может существовать без него. Сегодня потоки широко применяются в работе серверов и многопроцессорных устройств с общей памятью.

Чем хороши потоки:

• Они минимизируют время переключения контекста (процессора).
• Их использование обеспечивает параллелизм процесса.
• Они эффективно общаются между собой.
• Потоки позволяют использовать многопроцессорные архитектуры в большем масштабе.

Потоки имеют два уровня реализации:

• Пользовательский уровень, то есть потоки, управляемые приложениями;
• Уровень ядра, то есть потоки, управляемые ядром операционной системы.

В первом случае ядро ​​управления потоками ничего не знает о существовании потоков вообще. А библиотека потоков просто содержит код для создания и уничтожения потоков, а также передачи сообщений и данных между ними для планирования выполнения потоков и сохранения (восстановления) контекстов потоков.

Во втором случае ядро выполняет создание потоков, а ещё планирование и управление в пространстве ядра. Заметим, что потоки ядра обычно медленнее, чем потоки пользователей.

Планирование

Планировщик – это часть менеджера процессов, которая ответственна за переключение между процессами и выбор очереди по какой-либо стратегии.

ОС поддерживает все блоки управления процессом (PCB) в очередях планирования процесса:

• Очередь задач (job queue) поддерживает все процессы в системе.
• Очередь ожидания (ready queue) хранит информацию обо всех процессах, находящихся в основной памяти в состоянии ожидания. В эту очередь попадают и новые процессы.
• Очереди из устройств (device queue) – это процессы, заблокированные из-за недоступности устройств ввода-вывода.

ОС может использовать разные методы реализации для управления очередями (FIFO, Round Robin, Priority). Планировщик ОС определяет, когда и как перемещать процессы между готовыми и запущенными очередями (могут иметь только одну запись на ядро ​​процессора в системе). На приведенной выше диаграмме он был объединен с процессором.

Модели состояния делятся на активные и неактивные:

• Активные: при создании нового процесса он переходит в класс активных.
• Неактивные: процессы, которые не выполняются, а ждут завершения других процессов. Каждая запись в очереди является указателем на конкретный процесс. Очередь реализуется с использованием связанного списка. Использование диспетчера заключается в следующем: когда процесс прерывается, то переносится в очередь ожидания. Если процесс завершен или отменен – он отменяется вовсе.

Переключение контекста – это механизм сохранения (в PCB) и восстановления контекста процессора с ранее запущенного промежутка времени. При использовании этого метода, коммутатор контекста позволяет использовать один процессор для нескольких действий одновременно. Кстати, контекстное переключение является неотъемлемой частью многозадачной операционной системы.

Когда планировщик переключает процессор с одного процесса на другой, состояние из текущего запущенного процесса сохраняется в блоке управления. Затем состояние для следующего процесса загружается из своего PCB в регистры процессора. Только потом второй процесс может быть запущен.

При переключении следующая информация сохраняется для последующего использования: счетчик программы, информация планировщика, значение регистра базы и лимита, используемый в настоящее время регистр, измененное состояние, информация о состоянии ввода и вывода, учетная информация.

Управление памятью

Ещё одна важная часть – та, что отвечает за все операции по управлению первичной памятью. Существует менеджер памяти, который обрабатывает все запросы на получение памяти и высвобождение. Он же следит за каждым участком памяти, независимо от того, занят он или свободен. И он же решает, какой процесс и когда получит этот ресурс.

Адресное пространство процесса – набор логических адресов, к которым программа обращается в коде. Например, если используется 32-битная адресация, то допустимые значения варьируются от 0 до 0x7fffffff, то есть 2 Гб виртуальной памяти.

Операционная система заботится о том, чтобы сопоставить логические адреса с физическими во время выделения памяти программе. Нужно также знать, что существует три типа адресов, используемых в программе до и после выделения памяти:

• Символьные адреса : или по-другому адреса, используемые в исходном коде. Имена переменных, константы и метки инструкций являются основными элементами символического адресного пространства.
• Относительные адреса : компилятор преобразует символические адреса в относительные адреса.
• Физические адреса : загрузчик генерирует эти адреса в момент загрузки программы в основную память.

Виртуальные и физические адреса одинаковы как в процессе загрузки, так и во время компиляции. Но они начинают различаться во время исполнения.

Набор всех логических адресов, которые создала программа, называется логическим адресным пространством . Набор всех физических адресов, соответствующих этим логическим адресам, называется физическим адресным пространством.

Межпроцессорное взаимодействие

Существует два типа процессов: независимые и взаимодействующие. На независимые не оказывается влияние процессов сторонних, в отличие от взаимодействующих.

Можно подумать, что процессы, которые работают независимо, выполняются эффективнее, но зачастую это не так. Использование кооперации может повысить скорость вычислений, удобство и модульность программ.

Межпроцессная коммуникация (IPC) – это механизм, который позволяет процессам взаимодействовать друг с другом и синхронизировать действия. Связь между этими процессами может рассматриваться как сотрудничество.

Процессы могут взаимодействовать двумя способами: через общую память или через передачу сообщений.

Метод использования общей памяти

Допустим, есть два процесса: исполнитель (производитель) и потребитель. Один производит некоторый товар, а второй его потребляет. Эти два процесса имеют общее пространство или ячейку памяти, известную как «буфер». Там хранится элемент, созданный исполнителем, оттуда же потребитель получает этот элемент.

Однако у этих версий есть как минимум две значимые проблемы: первая известна как проблема безграничного буфера: исполнитель может продолжать создавать элементы без ограничений на размер буфера. Вторая заключается в том, что исполнитель, заполнив буфер, переходит в режим ожидания.

В задаче с ограниченным буфером у исполнителя и потребителя будет общая память. Если общее количество произведенных товаров равно размеру буфера, то исполнитель будет ждать их потребления.

Аналогично потребитель сначала проверит наличие товара, и если ни один элемент не будет доступен, придётся ждать его освобождения.

Метод анализа сообщений

С помощью этого метода процессы взаимодействуют друг с другом без использования общей памяти. Допустим, есть два процесса, p1 и p2, которые хотят взаимодействовать друг с другом. Они работают следующим образом:

• Устанавливается связь (если её ещё не существует).
• Начинается обмен сообщениями с помощью базовых примитивов. Нам нужно как минимум два примитива – отправить (сообщение, пункт назначения) или получить (сообщение).

Размер сообщения может быть фиксированным или переменным. Проектировщикам ОС проще работать с сообщениями фиксированного размера, а программистам – переменного. Стандартное сообщение состоит из двух частей – заголовка и тела.

Управление вводом и выводом

Одной из важнейших задач операционной системы является управление различными устройствами ввода и вывода вроде мыши, клавиатуры, дисководов, etc.

Система ввода и вывода принимает запрос приложения на ввод или вывод данных, а затем отправляет его на соответствующее физическое устройство. После возвращает приложению полученный ответ. Устройства ввода и вывода можно разделить на две категории:

• Блочные: то есть устройства, с которыми драйверы связываются, отправляя целые блоки данных. Например, жесткие диски, USB-камеры, Disk-On-Key.
• Символьные: те устройства, с которыми драйвер связывается, отправляя и получая одиночные символы (байты или октеты). Например, последовательные порты, параллельные порты, звуковые карты и так далее.

ЦПУ должен иметь способ передачи информации на устройство ввода-вывода и обратно. И есть три способа сделать это:

1. Специальные инструкции

Особые, неуниверсальные инструкции процессора, внедренные специально для контроля устройств ввода-вывода. Они позволяют отправлять данные на устройство и считывать их оттуда.

1. Входы и выходы с отображением памяти

Когда используется ввод-вывод с отображением памяти, одно и то же адресное пространство разделяется памятью и устройствами ввода-вывода. Устройство подключается непосредственно к ячейкам памяти так, чтобы можно было передавать блок данных без применения ЦПУ.

1. Прямой доступ к памяти (DMA)

Медленные устройства, такие как клавиатуры, генерируют прерывания ЦПУ после передачи каждого байта. Если бы быстрые устройства работали похожим образом, то ОС бы тратила большую часть времени впустую, на обработку этих прерываний. Поэтому для снижения нагрузки обычно используется прямой доступ к памяти (DMA).

Это означает, что ЦПУ предоставляет модулю ввода и вывода полномочия для чтения или записи в память. Сам модуль управляет обменом данными между основной памятью и устройством ввода-вывода. ЦПУ участвует в начале и конце передачи, а прерывается только после полной передачи блока.

Организация прямого доступа к памяти требует специального оборудования, называемого контроллером DMA (DMAC). Он управляет передачей данных и доступом к системной шине. Контроллеры запрограммированы с указателями источника и места назначения, счетчиками для отслеживания количества переданных байтов и прочими настройками.

Виртуализация

Технология, которая позволяет создавать несколько сред или выделенных ресурсов из единой физической аппаратной системы называется виртуализация

Программное обеспечение, гипервизор, напрямую подключается к этой аппаратной системе и позволяет разбить ее на отдельные, безопасные среды – виртуальные машины. По идее, гипервизор должен аппаратные ресурсы между виртуальными машинами так, чтобы процессы выполнялись быстрее.

Физическая машина с гипервизором называется хостом , а виртуальные машины, которые используют ресурсы данного хоста – гостями . Для них ангаром ресурсов являются процессор, память, хранилище. Для получения доступа к этим ресурсам операторы управляют виртуальными экземплярами.

В идеале, все связанные виртуальные машины управляются с помощью единой веб-консоли управления виртуализацией. Она нужна, чтобы ускорять работу. Виртуализация позволяет определить, сколько вычислительной мощности и памяти выделять виртуальным машинам. Кроме того, так как виртуальные машины технически не связаны между собой, это повышает безопасность сред.

Проще говоря, виртуализация создает дополнительные мощности для выполнения процессов.

Типы виртуализации

1. Данные: позволяет компаниям обеспечивать вычислительные мощности для объединения данных из нескольких источников, размещения новых источников и преобразования данных в соответствии с потребностями пользователя.
2. Рабочий стол: легко спутать с виртуализацией операционной системы. Виртуализация рабочего стола позволяет центральному администратору одновременно развёртывать смоделированные среды на сотнях физических машин. Виртуальные системы позволяют администраторам выполнять массовые конфигурации, обновления и проверки безопасности на всех устройствах сразу.
3. Серверы : программная имитация с помощью специального ПО аппаратного обеспечения компьютера: процессор, память, жесткий диск, и т. д. На такой виртуальный компьютер можно установить операционную систему, и она будет на нем работать точно так же, как и на простом, «железном» компьютере. Самое интересное достоинство этой технологии – это возможность запуска нескольких виртуальных компьютеров внутри одного физического. При этом, все виртуальные компьютеры могут работать независимо друг от друга.
   Сервер – компьютер, спроектированный под выполнение большого объема специфических задач. Виртуализация сервера позволит ему выполнять больше этих специальных задач, а также разделить функционал на разные компоненты.
4. ОС : это способ одновременного запуска Linux и Windows-сред. Преимущество в том, что это уменьшает затраты на оборудование, повышает безопасность и экономит время на обслуживании.
5. Сетевые функции : разделяет ключевые функции сети (например, службы каталогов, общий доступ к файлам и IP-конфигурацию) для распределения между средами. Виртуальные сети сокращают количество физических компонентов: коммутаторов, маршрутизаторов, серверов, кабелей.

Система файловой дистрибуции

Распределенная файловая система – это клиентское или клиент-серверное приложение, которое позволяет получать и обрабатывать данные. Они хранятся на сервере, как если бы они находились на персональном компьютере. Когда пользователь запрашивает файл, сервер отправляет ему копию запрашиваемого файла, который кэшируется на компьютере пользователя во время обработки данных, а затем возвращается на сервер.

Бывает так, что за одними и теми же данными одновременно обращаются сразу несколько пользователей. Для этих целей сервер должен иметь механизм организации обновлений, чтобы клиент всегда получал самую актуальную версию данных. Распределенные файловые системы обычно используют репликацию файлов или баз данных для защиты от сбоев.

Сетевая файловая система Sun Microsystems (NFS), Novell NetWare , распределенная файловая система Microsoft и DFS от IBM являются примерами распределенных файловых систем.

Распределенная общая память

Распределенная общая память (DSM) – это компонент управления ресурсами распределенной операционной системы. В DSM доступ к данным осуществляется из общего пространства, аналогично способу доступа к виртуальной памяти. Данные перемещаются между дополнительной и основной памятью, а также между разными узлами. Изменения прав собственности происходят, когда данные перемещаются с одного узла на другой.

Преимущества распределенной общей памяти:

• Программистам можно не беспокоиться о передаче памяти между машинами, потому что перемещение данных можно скрыть;
• Можно передавать сложные структуры по ссылке, упрощая разработку алгоритмов для распределенных приложений;
• Это дешевле, чем многопроцессорные системы и может быть реализовано с использованием обычного оборудования;
• Можно использовать неограниченное количество узлов;
• Программы, написанные для мультипроцессоров с общей памятью, могут быть запущены в системах DSM.

Облачные вычисления

Всё больше процессов переходит в облако. По сути, облачные вычисления – это своего рода аутсорсинг компьютерных программ. Используя облачные вычисления, пользователи могут получать доступ к программному обеспечению и приложениям из любого места. Это означает, что им не нужно беспокоиться о таких вещах, как хранение данных и питание компьютера.

Традиционные бизнес-приложения всегда были очень сложными, дорогими в обслуживании – нужна команда экспертов для установки, настройки, тестирования, запуска, защиты и обновления. Это одна из причин, почему стартапы проигрывают корпорациям.

Используя облачные вычисления, вы передаёте ответственность за аппаратное и программное обеспечение опытным специалистам, таким как Salesforce и AWS. Вы платите только за то, что вам нужно, апгрейд платежного плана производится автоматически по мере ваших потребностей, а масштабирование системы протекает без особых сложностей.

Приложения на базе облачных вычислений могут работать эффективнее, дольше и стоить дешевле. Уже сейчас компании используют облачные приложения для множества приложений, таких как управление отношениями с клиентами (CRM), HR, учет и так далее.

Итоги

В заключение хочется ещё раз вернуться к тому, зачем вообще разбираться в том как работают операционные системы. Операционная система – это «мозг», который управляет входными, обрабатываемыми и выходными данными. Все остальные компоненты также взаимодействуют с операционной системой. Понимание того, как работают операционные системы, прояснит некоторые детали и в других компьютерных науках, ведь взаимодействие с ними организуется именно средствами ОС.