Что не входит в структуру операционной системы
Структура операционных систем
Операционная система должна обеспечить работу пользователя с информацией на внешних носителях (в том числе и прикладными программами) и работу с внешними и внутренними устройствами. Кроме того, ОС должна обеспечить удобный дружественный интерфейс. В соответствии с этими функциями структура любой ОС содержит следующие компоненты: файловую систему, драйверы устройств, интерпретатор действий пользователя (условное название). Ядро ОС – это управляющая часть ОС, постоянно находящаяся в оперативной памяти.
Файловая система
Любая информация, хранящаяся на внешних носителях: текстовая графическая, видео, аудио и т.д., представляет собой файлы, которые в совокупности образуют файловую систему. ОС обеспечивает работу с файловой системой в соответствии с некоторыми правилами.
Драйверы устройств
Драйверы устройств – это специальные программы, управляющие работой как внешних, так и внутренних устройств компьютера. Они бывают двух видов: стандартные и загружаемые.
Стандартные – управляют работой внешних устройств (клавиатуры, монитора, дисков и принтера), они в совокупности образуют базовую систему ввода-вывода.
Загружаемые – используются для расширения возможностей компьютера или управления стандартными внештатными устройствами (в отличие от того, как предусмотрено в базовом комплекте ПК).
Интерпретатор действий пользователя
Это условное название программных средств, обеспечивающих диалог пользователя с компьютером.
Для текстовых ОС с командной строкой существует один интерпретатор команд, который принимает и анализирует команды, введенные пользователем, и выполняет только корректные.
Для графических ОС с объектно-ориентированным интерфейсом существует условно целая система интерпретаторов, распознающих действия пользователя и выполняющих только корректные.
Файловая система
Файловая система предназначена для работы с информацией, хранящейся на внешних носителях. Файловая система включает в себя
¨ файлы,
¨ правила образования имен файлов и способов обращения к ним,
¨ структуру хранения файлов на диске (линейную или иерархическую, древовидную).
Определения
Файл – это именованная область памяти на внешнем носителе.
Характеристики файла – имя, тип, размер, дата и время создания.
Имя файла – это собственно имя файла, точка и расширение.
Правила образования имен включают структуру, размер имени, алфавит (кириллица или латиница), прописные или строчные буквы.
В различных ОС эти правила по некоторым параметрам различаются, например, в ОС MS DOS было принято соглашение 8.3 (имя. расширение) и только латиница (в последних версиях допускалась кириллица), прописные и строчные буквы не различаются. В ОС Windows имя файла допускается до 255 символов (кириллица или латиница), но некоторые служебные символы исключаются. В ОС UNIX различаются прописные и строчные буквы, допускается только латиница.
Для обеспечения удобного доступа к файлам используются более сложные структуры – каталоги (папки).
Каталог – это совокупность файлов на одном носителе. Под каталогом в файловой системе понимается, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из тематики, например, с другой стороны, каталог – это файл-база, содержащий системную информацию о группе составляющих его файлов (имя, тип, дата и время, размер и ссылка на место нахождения).
Существует два основных типа каталогов: корневой каталог и подкаталог (или каталог). Различаются они максимальным количеством хранящихся файлов. На каждом логическом диске в фиксированном месте располагается корневой каталог. Размеры корневых каталогов варьируются в зависимости от размера диска, но каждый конкретный корневой каталог имеет фиксированное максимальное число файлов. Длина корневого каталога фиксируется при создании логического диска и не может быть изменена в процессе работы. Все каталоги имеют одинаковую структуру.
Файловые системы обычно имеют иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет каталогов (точнее их свойства быть вложенными в каталоги верхнего уровня).
Маршрут (путь) – это спецификация файла, состоящая из имени диска и цепочки вложенных каталогов (начиная с корневого), разделенных символом \ (обратный слеш).
Маршрут – это префикс имени файла. Маршрут может быть полным, если он начинается с имени диска и неполным, если состоит из цепочки каталогов.
Полное имя файла – это префикс + имя файла.
C:\GAMES\PRINCE\LEVELS является полным маршрутом к файлу IGRA.EXE.
C:\GAMES\PRINCE\LEVELS\IGRA.EXE — полным именем файла.
Обратите внимание, «С:\» является обозначением корневого каталога на диске С.
Существует две группы (вида) файлов: выполнимые и невыполнимые.
Выполнимые файлы предоставляют пользователю возможность работать в какой-то среде, или выполнять команды ОС. Имена выполнимых файлов (на примере MS DOS и MS WINDOWS) имеют расширения ‑ exe (программа), com (устаревшее расширение программы), bat (пакетный файл, содержащий набор команд ОС).
Операционная система компьютера
Операционная система компьютера
«Операционная система компьютера» В составе каждого компьютера различают две необходимые для его работы части: h ardware – аппаратное обеспечение (АО), или «железо» и s oftware – программное обеспечение (ПО), или программы и данные.
Чтобы не нагружать пользователя проблемами, как организовать работу процессора с АО и ПО. На каждом компьютере имеется операционная система, представляющая собой большой комплекс программ, которые реализуют согласованную работу всех составляющих частей компьютера.
Помимо осуществления взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, ОС реализует согласованную работу пользователя и с программами, и с аппаратными устройствами.
Структура операционной системы компьютера:
Выполнение любой работы на компьютере, как правило, сопряжено с обменом файлами устройств между собой. За работу с файлами отвечает группа программ ОС, называемая файловой системой.
За работу с запросами пользователя отвечает часть ОС – командный процессор. Операционная система должна выполнить любые команды пользователя, оперирующие файлами, будь то команды перемещения, удаления, копирования, либо команды обмена файлами между устройствами.
Все устройства компьютера подсоединяются к нему через системную шину. Это и монитор, и клавиатура, и принтер, и дисководы, и различного рода манипуляторы, и другие. Для управления работой всего многообразия устройств современного компьютера для каждого устройства создаются специальные программы, понимающие как команды устройства, так команды процессора, – драйверы.
Пользовательский интерфейс современных ОС является графическим. Это позволяет пользователю вводить команды, указывая при помощи графических манипуляторов (например, мышью) на требуемый объект на экране, не прибегая к вводу команд с клавиатуры.
Неотъемлемой частью операционной системы являются утилиты, или служебные сервисные программы – программы обслуживания дисков, программы-архиваторы, программы работы в сетях и т.д.
К услугам пользователя предоставлена справочная система ОС, которая даёт возможность получения сведений как о работе операционной системы, так и по каждой её части.
Запуск компьютера
BIOS начинает проверку исправности всех устройств компьютера, выводя на экран информацию о ходе проверки и подавая звуковой сигнал в случае обнаружения неисправностей. В случае успешной проверки BIOS считывает программу начальной загрузки ОС в оперативную память компьютера.
Загрузка операционной системы компьютера
Для хранения файлов операционной системы используются диски – внешние устройства долговременного хранения информации, встроенные – жёсткие диски, или съёмные – CD, DVD… Такие диски называются системными, и при их отсутствии компьютер не может быть запущен.
После успешной загрузки операционной системы в оперативную память управление передаётся командному процессору. Для ОС с графическим интерфейсом происходит его загрузка в оперативную память, иначе, появляется строка с приглашением ввода команд.
Компьютеры без операционных систем
Изначально в 70 – 80-ые годы на персональных компьютерах не было операционных систем. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) персональных компьютеров содержало некий простой язык программирования, например Бэйсик. И в момент загрузки процессор получал к нему доступ. Пользователь вводил команды с клавиатуры, язык программирования принимал их и выполнял. Это воспринималось некоторыми пользователями как работа с операционной системой.
При подключении к ПК магнитофона была возможность загрузки с него какой-нибудь программы, отключающей ПЗУ и берущей на себя управление компьютером аналогично игровым приставкам.
Первые дисковые операционные системы компьютера
С появлением устройств прямого доступа – дисководов – и подключением их к компьютеру процедура загрузки программ с их использованием потребовала существенного изменения. Магнитофон является устройством последовательного доступа, и поиск необходимой для загрузки программы заключался в перематывании кассеты. Для поиска требуемой программы на диске необходимо знать точный её адрес – номер дорожки и номер сектора на этой дорожке.
Для решения этой проблемы была создана программа которая преобразовывала имя файла программы её адрес на диске. Это давало возможность загрузки необходимых программ (файлов), используя их название. Программу нарекли дисковой операционной системой.
Впоследствии программу «научили» не только загрузке файлов в ПК, но и записи их на диск. А так же удалению с диска и копированию их с одного диска на другой. Автоматизация этих процессов устранила множество потенциальных ошибок и избавил от хранения информации о файлах на бумаге.
Неграфические операционные системы компьютера
Дальнейшее развитие операционных систем полностью связано с развитием аппаратного обеспечения. Появлялись новые съёмные устройства хранения информации – гибкие диски, жёсткие диски. Объёмы жёстких дисков позволяли теперь хранить тысячи файлов, что, безусловно, усложняло операционные системы. Для облегчения поиска файлов в них появились инструменты создания на дисках каталогов файлов и средства обслуживания этих каталогов. Таким образом создавалась файловая система ОС. И операционная система стала ответственной как за её создания, так и за обслуживание. С увеличением объёмов жёстких дисков в разы, были разработаны средства ОС, позволяющие делить физические жёсткие диски на логические диски меньших объёмов. Для более эффективной работы с огромными объёмами хранимой информации.
Операционная система компьютера
Увеличение объёмов обрабатываемой информации заставляло увеличивать и оперативную память компьютера. А так же рабочие характеристики процессоров, и операционные системы для работы со всё более мощными устройствами и всё более производительными процессорами.
Получившие широкое распространение в начале 80 – 90-х годах персональные компьютеры IBM PC были оснащены операционной системой MS DOS (версии MS DOS 1.0 – MS DOS 6.22)
Программы-оболочки
В течение 15 лет MS DOS была вне конкуренции. Столь продолжительный период работы с системой привёл к необходимости её усовершенствования или замены. Дело в том, что интерфейс работы с пользователем системы MS DOS командный, не графический. Усложнение аппаратных устройств, появление совершенно новых устройств приводило к увеличению команд операционной системы. А это очень нагружало пользователя запоминанием ещё большего числа команд со всеми необходимыми параметрами. Кроме того, ввод каждой команды требовал большого внимания, а, стало быть, и напряжения, и увеличения вероятности ошибки.
В Norton Commander вся файловая система компьютера отображалась на экране в виде структуры дисков, каталогов и файлов. Работа с файловой структурой выполнялась с помощью меню команд. Которые запускались нажатием определённых клавиш, указанных здесь же для каждой команды. Это избавляло пользователя от запоминания всех команд и их параметров и утомительного ввода этих команд с клавиатуры.
И сейчас ещё пользуются программой Total Commander – современной реализацией Norton Commander. Но, как правило, используются более современные средства.
Графические оболочки
В компьютерах типа IВМ РС невозможно совмещение графического и текстового режимов работы с экраном. Для этого требуется переключение экрана только в один из них. Такой вариант до определённого времени удовлетворял потребности пользователей ПК. А так же предприятия и организации, использовавшие компьютер в служебных целях. Им в полне было достаточно работы в текстовом режиме. С расширением области применения компьютеров, в том числе, и как домашнего ПК. Встала задача создания графической ОС, позволяющей наглядно изображать информацию на экране. А так же управлять ею с помощью устройств-манипуляторов курсором, например, мышью.
Прототипами графической операционной системы были разработанные компанией Microsoft графические оболочки, работающие под управлением МS-DOS. (Windows 1.0, Windows 2.0, Windows 3.0, Windows 3.1, Windows 3.11) и называемые «средой Windows».
Среду Windows отличали следующие особенности:
Графические операционные системы компьютера
К разработке графической операционной системы для ПК типа IВМ РС компания Microsoft приступила в 1981 году, и новая графическая ОС появилась в 1995 году, заменив МS-DOS с последней графической оболочкой Windows 3.11. Графическую операционную систему назвали Microsoft Windows 95.
Далее последовали всё более и более совершенствующиеся графические ОС Windows. Такие как Windows 98, NT, ME, 2000, XP, 7, 8.
Операционная система компьютера
В настоящее время новые аппаратные средства при их изготовлении производителями остаются совместимыми с Windows. И их установка на компьютер обеспечивает нормальную работу всех остальных устройств компьютера и всех программ. Компания Windows разработала plud-and-play стандарт устройств, автоматически подключающихся к компьютеру. Операционная система самостоятельно распознаёт все установленные устройства и начинает с ними работать.
ОС Windows получили наибольшее распространение на рынке графических операционных систем для компьютеров, совместимых с ПК типа IBM PC.
Операционные системы компании Microsoft:
DOS (Disk Operating System). Пользовательский интерфейс – командная строка. Команды вводятся с клавиатуры в специальной строке – командной строке.
Windows 3.1 и 3.11 – Графическая оболочка, расширяющая возможности DOS.
У всех дальнейших операционных систем интерфейс графический.
Семейство Windows-98 / NT / ME / 2000 / XP/ 7/ 8.
Элементы интерфейса Windows:
Рабочий стол.
Очень удачное название. Появляется сразу после загрузки ОС. Экран, на котором, как на столе, расположены в виде значков (иконок) инструменты управления и программы.
Значки.
Значки соответствуют реальным объектам Windows – программам, документам, устройствам. Запуск/открытие производится двойным щелчком кнопки мыши по значку либо щелчком правой кнопки мыши и последующим выбором в появившемся контекстном меню строки Открыть. Программы могут находиться как на Рабочем столе, так и на диске. Если программы находятся на диске, на Рабочем столе они представлены ярлыком.
Ярлыки.
Ярлык программы – это только указатель (адрес) места на диске, где программа хранится. Запуск программы производится двойным щелчком кнопки мыши по ярлыку либо щелчком правой кнопки мыши и выбором в появившемся контекстном меню строки Открыть. Ярлык имеет тот же вид, что и значок, обозначающий саму программу, но отличается от него небольшой стрелочкой внизу слева.
Панель задач.
Самая нижняя широкая строка экрана. Содержит:
Окно.
Окно – Основной интерфейс Windows, в его честь названа сама система. Соответствует активной программе, открытому документу, активному диалогу и служит для работы с ними.
Назначение и основные функции операционных систем. Состав операционной системы
Доброго времени суток уважаемый пользователь. На этой страничке мы поговорим на такие темы, как: Назначение и основные функции операционных систем. Состав операционной системы.
Операционная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью. Операционные системы: MS DOS 7.0, Windows Vista Business, Windows 2008 Server, OS/2, UNIX, Linux.
Основные функции ОС:
Дополнительные функции:
Состав операционной системы
В общем случае в состав ОС входят следующие модули:
Драйвер устройства (device driver) – специальная программа, обеспечивающая управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами.
Командный процессор (command processor) – специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их (интерпретатор программ).
Интерпретатор команд отвечает за загрузку приложений и управление информационным потоком между приложениями.
Для упрощения работы пользователя в состав современных ОС входят программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.
Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В ОС имеется программный модуль, управляющий файловой системой.
Сервисные программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и др.), выполнять операции с файлами (копирование, переименование и др.), работать в компьютерных сетях.
Для удобства пользователя в состав ОС входит справочная система, позволяющая оперативно получить необходимую информацию о функционировании как ОС в целом, так и о работе ее отдельных модулей.
Примечание
Состав модулей ОС, а также их количество зависит от семейства и вида ОС. Так, например, в ОС MS DOS отсутствует модуль, обеспечивающий графический пользовательский интерфейс.
Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:
Модули ядра выполняют следующие базовые функции ОС: Управление процессами, Управление системой прерываний, Управление памятью, управление устройствами ввода-вывода, Функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Функции, служащие для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду.
Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий: для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API (Application programming interface).
Пример.
Базовый код API Win32 содержится в трех библиотеках динамической загрузки (Dynamic Link Library, DLL): USER32, GDI32 и KERNEL32.
Kernel — модуль Windows, который поддерживает низкоуровневые функции по работе с файлами и управлению памятью и процессами. Этот модуль обеспечивает сервис для 16- и 32-разрядных приложений.
GDI (Graphics Device Interface) — модуль Windows, обеспечивающий реализацию графических функций по работе с цветом, шрифтами и графическими примитивами для дисплея и принтеров.
User — модуль Windows, который является диспетчером окон и занимается созданием и управлением отображаемыми на экране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и другими элементами пользовательского интерфейса.
Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.
Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.
Вспомогательные модули ОС выполняют вспомогательные функции ОС (полезные, но менее обязательные чем функции ядра).
Примеры вспомогательных модулей:
Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур. Вспомогательные модули ОС подразделяются на следующие группы:
утилиты – программы, решающие задачи управления и сопровождения компьютерной системы: обслуживание дисков и файлов.
системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.
программы предоставления пользователю дополнительных услуг пользовательского интерфейса (калькулятор, игры).
библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода).
Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.
Вспомогательные модули обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.
Примечание
Разделение операционной системы на ядро и вспомогательные модули обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать основные функции, образующие ядро системы.
Введение в операционные системы
Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.
Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.
Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).
Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).
Далее рассмотрим, какие функции должны выполнять современные операционные системы.
Функции операционной системы
К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:
Структура операционной системы
Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.
Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).
Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.
Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.
Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.
Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).
Термин «ядро» также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин «ядро» (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) [12].
Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур [6]. В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.
Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).
Примеры различных типов ядер:
Обсуждение того, к какому типу относится ядро Windows NT, приведено в [5; 2]. В [2] говорится о том, что Windows NT имеет монолитное ядро, однако, поскольку в Windows NT имеется несколько ключевых компонентов, работающих в пользовательском режиме (например, подсистемы окружения и системные процессы – см. Лекцию 4 «Архитектура Windows»), то относить Windows NT к истинно монолитным ядрам нельзя, скорее к гибридным.
Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.
В состав операционной системы также входят:
Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:
Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).
Классификация операционных систем
Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.
Требования к операционным системам
Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе «Функции операционных систем». Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные [3]:
Резюме
В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию «ядра». Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.
В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.