Операционные системы и среды кратко

Обновлено: 02.07.2024

Операционная система (ОС)– это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации) и удобства работы с ней.

Назначение операционных систем

Назначение ОС - организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач. Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса ( Интерфейс - совокупность аппаратуры и программных средств, необходимых для подключения периферийных устройств к ПЭВМ) между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС.

Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.

ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью.

Наиболее популярные операционные системы:

MS DOS
Nicrosoft Windows
Mac OS
OS/2
UNIX
Linux.

Основные функции ОС:

управление устройствами компьютера (ресурсами)
- согласованная работа всех аппаратных средств ПК: стандартизованный доступ к периферийным устройствам, управление оперативной памятью и др.
управление процессами
- выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
управление доступом к данным на энергонезависимых носителях
(таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
ведение файловой структуры
- создание, изменение, удаление, хранение файлов на носителях
пользовательский интерфейс
- диалог с пользователем.

параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений.
разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Главные цели операционной системы:

Эффективное использование всех компьютерных ресурсов.
Повышение производительности труда программистов.
Простота, гибкость, эффективность и надежность организации вычислительного процесса.
Обеспечение независимости прикладных программ от аппаратного обеспечения (АО).

Функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы.

Таким образом, ОС реализует:

интерфейс пользователя (команды в MS DOS, UNIX; графический интерфейс в ОС Windows);
разделение аппаратных ресурсов между пользователями (в многопользовательской и многозадачной ОС);
работу в локальных и глобальных сетях;
возможность работы с общими данными в режиме коллективного пользования;
планирование доступа пользователей к общим ресурсам;
эффективное выполнение операций ввода-вывода;
восстановление данных и вычислительного процесса в случае ошибок.

Для реализации управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

Состав операционной системы

Современные операционные системы имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером.

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.
Вспомогательные модули, выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Планирование заданий.
Использование процессора.
Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.
Управление памятью.
Управление файловой системой.
Управление вводом выводом.
Обеспечение безопасности.

Виды интерфейсов пользователя операционных систем

По типу пользовательского интерфейса различают :

текстовые (линейные) операционные системы
графические операционные системы
речевые операционные системы

Пользовательским интерфейсом называется набор приемов взаимодействия пользователя с приложением. Пользовательский интерфейс включает общение пользователя с приложением и язык общения.

К системному программному обеспечению относят такие программы, которые являются общими, без которых невозможно выполнение или создание других программ, операционные системы (ОС) относят к этим программам. Системное программное обеспечение – это те программы и комплексы программ, которые являются общими для всех пользователей технически средств компьютера. Системное программное обеспечение делится на пять основных групп:

- системы управления файлами;

- интерфейсные оболочки, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с операционной системой, и различные программные среды;

На сегодняшний день операционная система представляет собой комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой программный продукт работает под управлением ОС. Ни один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Пользователи со своими программами также взаимодействуют через интерфейс ОС. Любые команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала проходят через ОС. Основные функции операционных систем:

1) Прием от пользователя (или оператора) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых команд оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (клавиатура, мышь). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами, и иные команды;

2) Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

3) Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти;

4) Запуск программы;

5) Инициализация программы (передача ей управления) и выполнение процессором программы;

6) Идентификация всех программ и данных;

7) Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений. ОС умеет выполнять очень большое количество системных функций, которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования этой ОС;

8) Обслуживание всех операций ввода-вывода;

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

10) Обеспечение режима мультипрограммирования, т.е. обеспечение одновременной работы многих пользователей или многих программ;

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

13) Для сетевых ОС характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров;

14) Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой ОС от исполняющихся на компьютерных приложений;

15) Аутентификация и авторизация пользователей. Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи;

16) Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени;

17) Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы;

18) Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

19) Распределение памяти, организация виртуальной памяти.

Аннотация: Понятие операционной системы. Виртуальные машины. Операционная система, среда и операционная оболочка. Эволюция операционных систем. Назначение, состав и функции ОС. Архитектура операционной системы. Классификация операционных систем. Эффективность и требования, предъявляемые к ОС. Совместимость и множественные прикладные среды. Виртуальные машины как современный подход к реализации множественных прикладных сред. Эффекты виртуализации.

1.1. Понятие операционной системы. Виртуальные машины

Современный компьютер – сложнейшая аппаратно-программная система. Написание программ для компьютера, их отладка и последующее выполнение представляет собой сложную трудоемкую задачу. Основная причина этого – огромная разница между тем, что удобно для людей, и тем, что удобно для компьютеров. Компьютер понимает только свой, машинный язык (назовем его Я0), а для человека наиболее удобен разговорный или хотя бы язык описания алгоритмов – алгоритмический язык . Проблему можно решить двумя способами. Оба способа связаны с разработкой команд, которые были бы более удобны для человека, чем встроенные машинные команды компьютера. Эти новые команды в совокупности формируют некоторый язык, который назовем Я1.

Упомянутые два способа решения проблемы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, написанные на языке Я1. Первый способ – замена каждой команды языка Я1 на эквивалентный набор команд в языке Я0. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я0, вместо программы, написанной на языке Я1. Эта технология называется трансляцией.

Второй способ – написание программы на языке Я0, которая берет программы, написанные на языке Я1, в качестве входных данных, рассматривает каждую команду по очереди и сразу выполняет эквивалентный набор команд языка Я0. Эта технология не требует составления новой программы на Я0. Она называется интерпретацией, а программа , которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

В подобной ситуации проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я1, чем думать о трансляции и интерпретации. Назовем такую виртуальную машину М1, а виртуальную машину с языком Я0 – М0. Для виртуальных машин можно будет писать программы, как будто они (машины) действительно существуют.

Очевидно, можно пойти дальше – создать еще набор команд, который в большей степени ориентирован на человека и в меньшей степени на компьютер , чем Я1. Этот набор формирует язык Я2 и, соответственно, виртуальную машину М2. Так можно продолжать до тех пор, пока не дойдем до подходящего нам языка уровня n.

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Уровень 0 – аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы этого уровня выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Следующий уровень – микроархитектурный уровень.

На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 (иногда и больше) регистров, которые формируют локальную память и АЛУ ( арифметико-логическое устройство ). Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция этого тракта заключается в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-то операцию, а результат помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. В других машинах такой контроль выполняется аппаратным обеспечением.

Следующий (второй) уровень составляет уровень архитектуры системы команд. Команды используют регистры и другие возможности аппаратуры. Команды формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture ), называемый машинным языком. Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин.

Следующий (третий) уровень обычно – гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд. У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти , способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. С течением времени набор таких команд существенно расширился. В нем появились так называемые макросы операционной системы или вызовы супервизора, называемые теперь системными вызовами.

Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть – микропрограммой. Вот почему этот уровень операционной системы считается гибридным.

Операционная система была создана для того, чтобы автоматизировать работу оператора и скрыть от пользователя сложности общения с аппаратурой, предоставив ему более удобную систему команд. Нижние три уровня (с нулевого по второй) конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин.

Над операционной системой (ОС) расположены остальные системные программы . Здесь находятся интерпретатор команд ( оболочка ), компиляторы, редакторы и т.д. Подобные программы не являются частью ОС (иногда оболочку пользователи считают операционной системой). Под операционной системой обычно понимается то программное обеспечение , которое запускается в режиме ядра или, как еще его называют, режиме супервизора. Она защищена от вмешательства пользователя с помощью специальных аппаратных средств.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков низкого уровня (обычно ассемблер ). На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей (физической) машиной.

Большинство пользователей компьютеров имеют опыт общения с операционной системой, по крайней мере, в той степени, чтобы эффективно выполнять свои текущие задачи. Однако они испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. В известной степени проблема связана с тем, что операционные системы выполняют две основные, но практически не связанные между собой функции: расширение возможностей компьютера и управление его ресурсами.

С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию расширенной машины или виртуальной машины, в которой легче программировать и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер . Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс , но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими компонентами низкого уровня.

Однако концепция, рассматривающая операционную систему прежде всего как удобный интерфейс пользователя, – это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд, снизу вверх, дает представление об операционной системе как о механизме, присутствующем в компьютере для управления всеми компонентами этой сложнейшей системы. В соответствии с этим подходом работа операционной системы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти, дисков, принтеров, устройств ввода-вывода, датчиков времени и т.п. между различными программами, конкурирующими за право их использовать.

1.2. Операционная система, среда и операционная оболочка

Операционные системы (ОС) в современном их понимании (их назначении и сущности) появились значительно позже первых компьютеров (правда, по всей видимости, и исчезнут в этой сущности в компьютерах будущего). Почему и когда появились ОС? Считается 1 По другим сведениям, первый компьютер был создан в Англии в 1943 году для расшифровки кодов немецких подводных лодок., что первая цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ) была создана в 1946 году по проекту "Проект РХ" Министерства обороны США. На реализацию проекта затрачено 500 тыс. долларов. Компьютер содержал 18000 электронных ламп, массу всякой электроники, включал в себя 12 десятиразрядных сумматоров, а для ускорения некоторых арифметических операций имел умножитель и "делитель-извлекатель" квадратного корня. Программирование сводилось к связыванию различных блоков проводами. Конечно, никакого программного обеспечения и тем более операционных систем тогда еще не существовало [10, 13].

Интенсивное создание различных моделей ЭВМ относится к началу 50-х годов прошлого века. В эти годы одни и те же группы людей участвовали и в проектировании, и в создании, и в программировании, и в эксплуатации ЭВМ. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке (а затем на ассемблере), не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм. Операционные системы еще не появились, а все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с примитивного пульта управления ЭВМ.

С появлением полупроводниковых элементов вычислительные возможности компьютеров существенно выросли. Наряду с этим заметно прогрессировали достижения в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ . Появились алгоритмические языки ( алгол , фортран, кобол) и системное программное обеспечение (трансляторы, редакторы связи, загрузчики и др.). Выполнение программ усложнилось и включало в себя следующие основные действия:

загрузка нужного транслятора (установка нужных МЛ и др.);
запуск транслятора и получение программы в машинных кодах;
связывание программы с библиотечными подпрограммами;
загрузка программы в оперативную память;
запуск программы;
вывод результатов работы программы на печатающее или другое периферийное устройство.

Для организации эффективной загрузки всех средств компьютера в штаты вычислительных центров ввели должности специально обученных операторов, профессионально выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра. Однако, как бы ни был подготовлен оператор, ему тяжело состязаться в производительности с работой устройств компьютера. И поэтому большую часть времени дорогостоящий процессор простаивал, а следовательно, использование компьютеров не было эффективным.

С целью исключения простоев были предприняты попытки разработки специальных программ – мониторов, прообразов первых операционных систем, которые осуществляли автоматический переход от задания к заданию. Считается, что первую операционную систему создала в 1952 году для своих компьютеров IBM -701 исследовательская лаборатория фирмы General Motors [9]. В 1955 году эта фирма и North American Aviation совместно разработали ОС для компьютера IBM -704.

В конце 50-х годов прошлого века ведущие фирмы изготовители поставляли операционные системы со следующими характеристиками:

пакетная обработка одного потока задач;
наличие стандартных программ ввода-вывода;
возможности автоматического перехода от программы к программе;
средства восстановления после ошибок, обеспечивающие автоматическую "очистку" компьютера в случае аварийного завершения очередной задачи и позволяющие запускать следующую задачу при минимальном вмешательстве оператора;
языки управления заданиями , предоставляющие пользователям возможность описывать свои задания и ресурсы, требуемые для их выполнения.

Пакет представляет собой набор (колоду) перфокарт, организованную специальным образом (задание, программы, данные). Для ускорения работы он мог переноситься на магнитную ленту или диск . Это позволяло сократить простои дорогой аппаратуры. Надо сказать, что в настоящее время в связи с прогрессом микроэлектронных технологий и методологий программирования значительно снизилась стоимость аппаратных и программных средств компьютерной техники. Поэтому сейчас основное внимание уделяется тому, чтобы сделать работу пользователей и программистов более эффективной, поскольку затраты труда квалифицированных специалистов сейчас представляют собой гораздо большую долю общей стоимости вычислительных систем, чем аппаратные и программные средства компьютеров.

Расположение операционной системы в иерархической структуре программного и аппаратного обеспечения компьютера можно представить, как показано на рис. 1.1.

Самый нижний уровень содержит различные устройства компьютера, состоящие из микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т.п. Этот уровень можно разделить на подуровни, например контроллеры устройств , а затем сами устройства. Возможно деление и на большее число уровней. Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются как отдельные функциональные единицы.

На микроархитектурном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (их может быть несколько) и арифметико-логические устройства со средствами управления ими. На этом уровне реализуется выполнение машинных команд. В процессе выполнения команд используются регистры процессора и устройств, а также другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture – архитектура системы команд), часто называемый машинным языком.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть все эти сложности. Конечный пользователь обычно не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера. Компьютер ему видится как набор приложений. Приложение может быть написано программистом на каком-либо языке программирования. Для упрощения этой работы программист использует набор системных программ, некоторые из которых называются утилитами. С их помощью реализуются часто используемые функции, которые помогают работать с файлами, управлять устройствами ввода-вывода и т.п. Программист применяет эти средства при разработке программ, а приложения во время выполнения обращаются к утилитам для выполнения определенных функций. Наиболее важной из системных программ является операционная система , которая освобождает программиста от необходимости глубокого знания устройства компьютера и представляет ему удобный интерфейс для его использования. Операционная система выступает в роли посредника, облегчая программисту, пользователям и программным приложениям доступ к различным службам и возможностям компьютера [10].

Таким образом, операционная система – это набор программ, контролирующих работу прикладных программ и системных приложений и исполняющих роль интерфейса между пользователями, программистами, прикладными программами, системными приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.

Образно можно сказать, что аппаратура компьютера предоставляет "сырую" вычислительную мощность , а задача операционной системы заключается в том, чтобы сделать использование этой вычислительной мощности доступным и по возможности удобным для пользователя. Программист может не знать детали управления конкретными ресурсами (например, диском) компьютера и должен обращаться к операционной системе с соответствующими вызовами, чтобы получить от нее необходимые сервисы и функции. Этот набор сервисов и функций и представляет собой операционную среду, в которой выполняются прикладные программы.

Таким образом, операционная среда – это программная среда, образуемая операционной системой, определяющая интерфейс прикладного программирования ( API ) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), которые предоставляются прикладным программам. Операционная среда может включать несколько интерфейсов прикладного программирования. Кроме основной операционной среды, называемой естественной ( native ), могут быть организованы путем эмуляции (моделирования) дополнительные программные среды, позволяющие выполнять приложения, которые рассчитаны на другие операционные системы и даже другие компьютеры.

Еще одно важное понятие, связанное с операционной системой, относится к реализации пользовательских интерфейсов. Как правило, любая операционная система обеспечивает удобную работу пользователя за счет средств пользовательского интерфейса. Эти средства могут быть неотъемлемой частью операционной среды (например, графический интерфейс Windows или текстовый интерфейс командной строки MS DOS ), а могут быть реализованы отдельной системной программой – оболочкой операционной системы (например, Norton Commander для MS DOS ). В общем случае под оболочкой операционной системы понимается часть операционной среды, определяющая интерфейс пользователя, его реализацию (текстовый, графический и т.п.), командные и сервисные возможности пользователя по управлению прикладными программами и компьютером.

Операционные системы, среды и оболочки — это комплект программных продуктов, которые предназначены для управления компьютерным оборудованием и обеспечения его связи с пользователем.

Программы трансляции и интерпретации

Современное компьютерное оборудование является очень сложной аппаратной и программной системой. Проектирование программных продуктов для компьютеров, их настройка и дальнейшее использование является очень сложной и трудоёмкой задачей. Главная проблема состоит в значительной разнице между тем, что считается удобным для человека и тем, что является удобным для компьютера. Компьютеру понятен специализированный машинный язык, а людям понятен и привычен язык, на котором они общаются между собой, в крайнем случае, язык алгоритмов.

Данная проблема может быть решена двумя методами, и оба предполагают разработку командной системы, более удобной для людей, чем система машинных команд компьютера. Отличие двух вышеназванных методов заключается только в том, как компьютер станет исполнять программные продукты, которые написаны на некотором алгоритмическом языке. Согласно первому методу нужно заменить каждую команду языка алгоритмов на необходимый комплекс машинных команд. Тогда в итоге компьютер будет исполнять фактически новую программу, состоящую из машинных команд, взамен программы, выполненной на алгоритмическом языке. Такая система носит название трансляции.

Второй метод заключается в формировании программы на языке машинных кодов, но на основании некоторых исходных данных, которыми является программа на языке алгоритмов. Последовательно рассматривается каждая команда на алгоритмическом языке и тут же осуществляется выполнение эквивалентного комплекта машинных команд. Такая система фактически не нуждается в составлении новой программы в машинных кодах, и именуется интерпретацией. Программа, осуществляющая процесс интерпретации, является интерпретатором.

Готовые работы на аналогичную тему

Операционная система была спроектирована для автоматизации действий оператора и сокрытия от пользователей всего усложнённого взаимодействия с оборудованием, подарив ему понятную командную систему. Нижние уровни не предназначены для использования программистами, которые разрабатывают прикладные программы. Они обслуживают функционирование программ интерпретации и трансляции, которые в свою очередь поддерживают более высокие программные уровни. Сами программы трансляции и интерпретации пишут системные программисты, специализирующиеся на проектировании и реализации новых виртуальных машин. Выше уровня операционной системы располагаются другие системные программные модули. К ним относятся командные интерпретаторы, являющиеся оболочкой, а также программы компиляции, редактирования и так далее. Эти программные модули не входят в состав операционной системы, хотя иногда ошибочно некоторые пользователи оболочку принимают за часть операционной системы.

Следует отметить, что операционной системой являются программы, запускаемые в режиме ядра. Другое название этого режима — супервизор. Операционной системе гарантирована защита от необдуманных, или случайных вредоносных операций со стороны пользователей при помощи специализированных аппаратурных методов.

Операционные системы, среды и оболочки

Операционная система осуществляет пару главных, но не взаимосвязанных функций. А именно, организация ресурсного управления и обеспечение более высокого уровня компьютерных возможностей. С позиции пользователей, операционные системы являются виртуальными машинами, которые обеспечивают более лёгкий процесс программирования и управления компьютером, чем прямое управление аппаратными средствами, являющимися элементами физического устройства компьютера.

Но позиция, определяющая операционную систему в виде удобного пользовательского интерфейса, является взглядом на ситуацию сверху вниз. Если посмотреть с другой стороны, то есть снизу вверх, то операционная система является механизмом, управляющим всеми составляющими частями этой очень сложной структуры.

Понятие операционной системы в нынешней его трактовке возникло гораздо позднее первых электронных вычислительных машин. Когда появилась полупроводниковая комплектация, вычислительная мощность компьютеров сильно возросла. Параллельно с этим наблюдался и прогресс в сфере написания программ и организационной структуре вычислительных операций. Сложность реализация программ тоже возросла и состояла из следующих процедур:

Операция загрузки необходимого транслятора.
Пуск программы трансляции и формирование машинных кодов программы.
Установление связи сформированной программы с библиотекой подпрограмм.
Выполнение загрузки программы в зону оперативной памяти.
Пуск программы.
Организация вывода итогов выполнения программы на печать или другую периферию.

Чтобы организовать эффективную загрузку всего компьютерного оборудования, в вычислительные центры добавили штатных операторов, которые стали выполнять функции организаторов вычислительных процессов для всех специалистов центров. Но каким бы классным не был оператор, ему было невозможно угнаться за быстродействием компьютера.

К концу пятидесятых годов двадцатого века передовые компании начали выпускать операционные системы с такими параметрами, которые справедливы и сегодня:

Возможность пакетной обработки единого потока задач.
Стандартные программы для ввода и вывода информации.
Автоматический переход между выполняемыми программами.
Функции, позволяющие восстановить работу после появления ошибок.
Наличие языков для управления заданиями, позволяющие пользователям описать используемые задания и ресурсные возможности, необходимые для их реализации.

Современные операционные системы служат для того, чтобы пользователю не было необходимости вникать во все сложности иерархической организации программно-аппаратного обеспечения компьютера. Для пользователя компьютер представляется в виде набора различных программных приложений.

Операционные системы (ОС) в современном их понимании (их назначении и сущности) появились значительно позже первых компьютеров (правда, по всей видимости, и исчезнут в этой сущности в компьютерах будущего). Почему и когда появились ОС? Считается 1) что первая цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году по проекту "Проект РХ" Министерства обороны США. На реализацию проекта затрачено 500 тыс. долларов. Компьютер содержал 18000 электронных ламп, массу всякой электроники, включал в себя 12 десятиразрядных сумматоров, а для ускорения некоторых арифметических операций имел умножитель и "делитель-извлекатель" квадратного корня. Программирование сводилось к связыванию различных блоков проводами. Конечно, никакого программного обеспечения и тем более операционных систем тогда еще не существовало [10, 13].

С появлением полупроводниковых элементов вычислительные возможности компьютеров существенно выросли. Наряду с этим заметно прогрессировали достижения в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. Появились алгоритмические языки (алгол, фортран, кобол) и системное программное обеспечение (трансляторы, редакторы связи, загрузчики и др.). Выполнение программ усложнилось и включало в себя следующие основные действия:

· загрузка нужного транслятора (установка нужных МЛ и др.);

· запуск транслятора и получение программы в машинных кодах;

· связывание программы с библиотечными подпрограммами;

· загрузка программы в оперативную память;

· вывод результатов работы программы на печатающее или другое периферийное устройство.

С целью исключения простоев были предприняты попытки разработки специальных программ – мониторов, прообразов первых операционных систем, которые осуществляли автоматический переход от задания к заданию. Считается, что первую операционную систему создала в 1952 году для своих компьютеров IBM-701 исследовательская лаборатория фирмы General Motors [9]. В 1955 году эта фирма и North American Aviation совместно разработали ОС для компьютера IBM-704.

· пакетная обработка одного потока задач;

· наличие стандартных программ ввода-вывода;

· возможности автоматического перехода от программы к программе;

· средства восстановления после ошибок, обеспечивающие автоматическую "очистку" компьютера в случае аварийного завершения очередной задачи и позволяющие запускать следующую задачу при минимальном вмешательстве оператора;

· языки управления заданиями, предоставляющие пользователям возможность описывать свои задания и ресурсы, требуемые для их выполнения.

Пакет представляет собой набор (колоду) перфокарт, организованную специальным образом (задание, программы, данные). Для ускорения работы он мог переноситься на магнитную ленту или диск. Это позволяло сократить простои дорогой аппаратуры. Надо сказать, что в настоящее время в связи с прогрессом микроэлектронных технологий и методологий программирования значительно снизилась стоимость аппаратных и программных средств компьютерной техники. Поэтому сейчас основное внимание уделяется тому, чтобы сделать работу пользователей и программистов более эффективной, поскольку затраты труда квалифицированных специалистов сейчас представляют собой гораздо большую долю общей стоимости вычислительных систем, чем аппаратные и программные средства компьютеров.

Рис. 1.1. Иерархическая структура программно-аппаратных средств компьютера

Самый нижний уровень содержит различные устройства компьютера, состоящие из микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т.п. Этот уровень можно разделить на подуровни, например контроллеры устройств, а затем сами устройства. Возможно деление и на большее число уровней. Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются как отдельные функциональные единицы.

На микроархитектурном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (их может быть несколько) и арифметико-логические устройства со средствами управления ими. На этом уровне реализуется выполнение машинных команд. В процессе выполнения команд используются регистры процессора и устройств, а также другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA (Instruction Set Architecture – архитектура системы команд), часто называемый машинным языком.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть все эти сложности. Конечный пользователь обычно не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера. Компьютер ему видится как набор приложений. Приложение может быть написано программистом на каком-либо языке программирования. Для упрощения этой работы программист использует набор системных программ, некоторые из которых называются утилитами. С их помощью реализуются часто используемые функции, которые помогают работать с файлами, управлять устройствами ввода-вывода и т.п. Программист применяет эти средства при разработке программ, а приложения во время выполнения обращаются к утилитам для выполнения определенных функций. Наиболее важной из системных программ является операционная система, которая освобождает программиста от необходимости глубокого знания устройства компьютера и представляет ему удобный интерфейс для его использования. Операционная система выступает в роли посредника, облегчая программисту, пользователям и программным приложениям доступ к различным службам и возможностям компьютера [10].

Образно можно сказать, что аппаратура компьютера предоставляет "сырую" вычислительную мощность, а задача операционной системы заключается в том, чтобы сделать использование этой вычислительной мощности доступным и по возможности удобным для пользователя. Программист может не знать детали управления конкретными ресурсами (например, диском) компьютера и должен обращаться к операционной системе с соответствующими вызовами, чтобы получить от нее необходимые сервисы и функции. Этот набор сервисов и функций и представляет собой операционную среду, в которой выполняются прикладные программы.

Таким образом, операционная среда – это программная среда, образуемая операционной системой, определяющая интерфейс прикладного программирования (API) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), которые предоставляются прикладным программам. Операционная среда может включать несколько интерфейсов прикладного программирования. Кроме основной операционной среды, называемой естественной (native), могут быть организованы путем эмуляции (моделирования) дополнительные программные среды, позволяющие выполнять приложения, которые рассчитаны на другие операционные системы и даже другие компьютеры.

Еще одно важное понятие, связанное с операционной системой, относится к реализации пользовательских интерфейсов. Как правило, любая операционная система обеспечивает удобную работу пользователя за счет средств пользовательского интерфейса. Эти средства могут быть неотъемлемой частью операционной среды (например, графический интерфейс Windows или текстовый интерфейс командной строки MS DOS), а могут быть реализованы отдельной системной программой – оболочкой операционной системы (например, Norton Commander для MS DOS). В общем случае под оболочкой операционной системы понимается часть операционной среды, определяющая интерфейс пользователя, его реализацию (текстовый, графический и т.п.), командные и сервисные возможности пользователя по управлению прикладными программами и компьютером.

Перейдем к рассмотрению эволюции операционных систем.