Операционные системы

                                 Операционные системы.

    Трудно  назвать другую сферу человеческой, которая развивалась бы столь  стремительно и порождала бы такое  разнообразие проблем, как информатизация и компьютеризация общества. История  развития информационных технологий характеризуется быстрым изменением концептуальных представлений, технических средств, методов и сфер их применения.

    В современных реалиях весьма актуальным для большинства людей стало  умение пользоваться промышленными  информационными технологиями. Проникновение компьютеров во все сферы жизни общества убеждает в том, что культура общения с компьютером становится общей культуры человека.

    При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем  служит платформой и средой для их работы. Без операционной системы невозможно представить работу с компьютером. Знание операционной системы необходимо для успешного пользования современными компьютерами.

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

    На  сегодняшний момент операционная система Windows фирмы Microsoft во всех ее проявлениях, бесспорно, считается самой распространенной операционной системой на ПК. Очевидно, что ознакомление с ПК необходимо начинать с ознакомления с Windows, ведь без нее работа на ПК немыслима для большинства пользователей.

    Целью данной работы является анализ общих основ операционных систем и характеристика развития самой популярной ОС — Windows.

    В реферате будут рассмотрены основные сущности операционных систем, такие  как процесс и файл, управление ими и их основные свойства. Развитие системы Windows будет рассматриваться на различных модификациях, начиная с  первых графических надстроек на ОС MS-DOS, заканчивая самой последней версией – Windows Vista.

    Информационными основами для этого реферата послужили  учебные и справочные пособия  по информатике, материалы веб-сайтов и Интернет изданий, посвящённые компьютерным технологиям. 

1. Назначение и основные функции операционной системы 

    Операционная  система – это комплекс взаимосвязанных системных программ, функциями которого является контроль использования и распределения ресурсов вычислительной системы и организация взаимодействия пользователя с компьютером.

    Операционная  система (ОС) играет роль связующего звена между аппаратурой компьютера и выполняемыми программами, а также пользователем.

    Операционные  системы, развиваясь вместе с ЭВМ, прошли длинный путь от простейших программ в машинных кодах размером всего в несколько мегабайт до современных, написанных на языках высокого уровня, размер которых исчисляется гигабайтами. Такой значительный рост размера операционных систем обусловлен, главным образом, стремлением разработчиков «украсить» операционную систему, расширить ее возможности, добавить возможности, изначально несвойственные операционным системам, а также сделать интерфейс пользователя интуитивным. Все эти попытки дали свои результаты, и положительные, и отрицательные. Главным результатом стало усложнение настройки и программного интерфейса при упрощении пользовательского.

    MS-DOS — одна из первых операционных систем и одна из самых известных. Пик популярности этой операционной системы приходится на 90-е годы, сейчас эта операционная система используется редко. Наибольшей популярностью в мире на данный момент пользуются операционные системы фирмы Microsoft. Их доля составляет около 90% среди всех операционных систем. Наиболее устойчивые системы этой фирмы основаны на технологии NT (Windows NT/XP/Vista).

    Однако Windows, естественно, не единственная современная операционная система. У других современных ОС, например Linux, UNIX, OS/2, имеют свои преимущества и недостатки. Linux предоставляет наиболее совершенную защиту, чем Windows, и имеет более продуманный интерфейс; UNIX применяется там, где требуется высокая надежность систем. Большим недостатком OS/2 и UNIX является довольно скудный выбор программных средств, и здесь Windows выигрывает у остальных операционных систем.

    Важной  особенностью многих ОС является способность  их взаимодействия друг с другом, посредством  сети, что позволяет компьютерам  взаимодействовать друг с другом, как в рамках локальных вычислительных сетей (ЛВС), так и в глобальной сети Интернет.

     Любая операционная система оперирует  некоторыми сущностями, которые вместе со способами управления ими во многом характеризуют ее свойства. К таким сущностям могут относиться понятия процесса, объекта, файла и т.д. Каждая ОС имеет свой набор таких сущностей. К примеру, в ОС Windows к таким сущностям можно отнести понятие объекта, и уже через управление этой сущностью предоставляются все возможные функции.

                        1.1. Процесс. Управление процессами

     Процесс — это некоторая сущность, которая присутствует практически во всех ОС, это программа, использующая множество ресурсов. Рассмотрим две программы (то есть код и данные, которые используются) и рассмотрим все те ресурсы, которые принадлежат программе (это могут быть: пространство оперативной памяти, данные на внешнем запоминающем устройстве, права владения линиями связи и тд). Если множества ресурсов, принадлежащих двум программам, совпадают, то в этом случае мы не можем говорить об этих программах, как о двух процессах, - это один процесс. Если у каждой программы есть свое множество ресурсов, причем, эти множества могут пересекаться, но не совпадать, то мы говорим о двух процессах.

     В том случае, когда множества ресурсов нескольких процессов имеют непустое пересечение, то у нас возникает вопрос об использовании, так называемых, разделяемых ресурсов. Может быть несколько процессов, каждый из которых имеет в качестве своего ресурса устройство и в каждый момент времени может обратиться к этому ресурсу с заказом на какое-то действие. Синхронизация работы процессов иллюстрирует одну из функций ОС, заключающуюся в управлении функционированием процессов. Под управление процессами понимается:

      1)    Управление использованием  времени центрального процессора. Это ещё иногда называют планированием ЦП, то есть управление тем, в какой момент времени какая из задач или какой из процессов будет владеть активностью ЦП: на какой из процессов будет работать ЦП.

     2) Управление «подкачкой» и буфером ввода. Процессором обрабатывается  несколько процессов, и перед нами стоит задача освободить реальную оперативную память для других задач. В этом случае возникает необходимость какие-то из обрабатываемых задач откачать на внешнее запоминающее устройство. Как более или менее выгодно организовать процесс откачки является одной из задач ОС. Если в системе образовывается масса задач, то вся вычислительная система не может принять для работы в мультипрограммном режиме все задачи. В этом случае образуется, так называемый, буфер ввода задач, или буфер ввода процессов, то есть буфер, в котором аккумулируются те процессы, которые ожидают начала своей обработки процессором. Возникает проблема очередности выбора процессов из этого буфера для начала обработки. Это задача планирования буфера.

3.   Управление разделяемыми ресурсами. Имеется набор ресурсов, доступ к которым в определенные моменты времени организуется от имени различных процессов. Одна из функций, которая во многом определяет свойства ОС, это функция, обеспечивающая организацию взаимодействия процессов и использования общих ресурсов. Проблема с простым устройством легко решается, а вот если две программы имеют общий фрагмент оперативной памяти, то управление таким разделяемым ресурсом - сложная задача.

     1.2. Типы операционных систем

     Если ЦП выделен одному из процессов, то этот процесс будет занимать ЦП до наступления одной из следующих ситуаций:

1. Обращение к внешнему устройству.
2. Завершение процесса.
3. Зафиксированный факт зацикливания процесса.
4. Исчерпание выделенного данному процессу времени Dt.

     Как только наступила одна из этих ситуаций, управление передается другому процессу. Количество передач управления от одного процесса к другому минимизировано. Так как при передаче управления с одного процесса на другой ОС должна выполнить набор некоторых действий, а это потеря времени, то здесь эти потери минимизированы. Такой режим работы ОС называется пакетным режимом. ОС, которая работает в таком режиме, называется пакетной ОС.

       При наступлении одного из упомянутых событий планировщик ОС выбирает из процессов, готовых к выполнению, некоторый процесс и передает ему ресурсы ЦП. А выбирает он этот процесс в зависимости от того алгоритма планирования, который был использован в данной конкретной ОС. Например, процесс может выбираться случайно. Второй способ заключается в том, что происходит как бы последовательный обход процессов, то есть мы взяли в работу сначала один из процессов, затем он освободился, и время ЦП будет предоставлено следующему по порядку процессу из готовых к выполнению. Третьим критерием, по которому отбирается очередная задача, может быть время, которое данный процесс не обслуживался ЦП. В этом случае система может выбирать процесс, у которого такое время самое большое. Эти алгоритмы должны быть реализованы в ОС, а значит, они  должны быть простыми, иначе система будет работать неэффективно, сама на себя (хотя такие системы есть: в частности, этим страдает семейство Windows). Такой тип ОС называется ОС разделения времени. Она работает в режиме, при котором минимизируется время реакции системы на запрос пользователя. В идеале, за счет того, что время ответа на запрос  минимально, у пользователя должна создаваться иллюзия, что все ресурсы системы предоставлены только ему.

       Предположим, у нас система разделения времени. Одним из качеств системы разделения времени является неэффективность за счет того, что в системе предусмотрено большое количество переключений с процесса на процесс, а эта функция достаточно трудоемка. Для решения такого рода задач нужны свои средства планирования. В этом случае используются, так называемые, ОС реального времени, основным критерием которых является время гарантированной реакции системы на возникновение того или иного события из набора заранее предопределенных событий. То есть в системе есть набор событий, на которые система в любой ситуации прореагирует и обработает их за некоторое наперед заданное время. Для ОС этого класса используются достаточно простые алгоритмы.

1.3. Файловая система

     Каждая из операционных систем оперирует некоторыми сущностями, одной из которых является процесс. Есть вторая сущность, которая также важна - это понятие файла. Файловая система - это компонент операционной системы, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных. Эти именованные наборы данных называются файлами.  

1.3.1. Основные свойства файлов

     1. Файл - это некий объект, имеющий имя, и позволяющий оперировать с содержимым файла через ссылку на это имя. Обычно имя - это последовательность некоторых символов, длина которой зависит от конкретной операционной системы.

      2. Независимость файла  от расположения. Для работы с конкретным файлом не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем устройстве.

      3. Набор функций  ввода/вывода. Практически каждая операционная система однозначно определяет набор функций, обеспечивающий обмен с файлом. Обычно, этот набор функций состоит из следующих запросов:

1. Открыть файл для работы. Открыть можно либо уже существующий, либо новый файл. Может возникнуть вопрос - зачем открывать файл? Почему нельзя сразу читать и писать в этот файл? На самом деле, это есть средство, для того чтобы централизованно объявить операционной системе, что файл будет работать с конкретным процессом. А она уже из этих сведений может принять какие-то решения (например, блокирование доступа в этот файл для других процессов).
2. Чтение/запись. Обычно обмен с файлами может организовываться некоторыми блоками данных. Блок данных, с которым происходит обмен, несет двоякую сущность. С одной стороны, для любой вычислительной системы известны размеры блоков данных, которые наиболее эффективны для обмена, то есть это программно-аппаратные размеры. С другой стороны, эти блоки данных при реальном обмене могут варьироваться достаточно произвольно программистом. В функциях чтения/записи обычно фигурирует размер блока данных для обмена и количество блоков данных, которые необходимо прочесть или записать. От выбранного размера блока данных может зависеть эффективность реальных обменов. Здесь есть элементы неэффективности, хотя они могут сглаживаться «умной» операционной системой.
3. Управление файловым указателем. Практически с каждым открытым файлом связывается понятие файлового указателя. Этот указатель, в каждый момент времени показывает на следующий относительный адрес по файлу, с которым можно произвести обмен. После обмена с данным блоком указатель переносится на позицию через блок. Для организации работы с файлом требуется уметь управлять этим указателем. Имеется функция управления файловым указателем, которая позволяет произвольно (в пределах доступного) перемещать указатель по файлу. Указатель есть некоторая переменная, доступная программе, которая связана с функцией открытия файла (создающей эту переменную).
4. Закрытие файла. Эта операция может осуществляться двумя функциями: закрыть и сохранить текущее содержимое файла либо уничтожить файл.