Операционные системы. Основные принципы и понятия

Операционная система (ОС) – это программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом.

Структура вычислительной системы

Из чего состоит любая вычислительная система? Во-первых, из того, что в англоязычных странах принято называть словом hardware, или техническое обеспечение: процессор, память, монитор, дисковые устройства и т.д., объединенные магистральным соединением, которое называется шиной.

Во-вторых, вычислительная система состоит из программного обеспечения. Все программное обеспечение принято делить на две части: прикладное и системное. К прикладному программному обеспечению, как правило, относятся разнообразные банковские и прочие бизнес-программы, игры, текстовые процессоры и т. п. Под системным программным обеспечением обычно понимают программы, способствующиефункционированию и разработке прикладных программ. Надо сказать, что деление на прикладное и системное программное обеспечение является отчасти условным и зависит от того, кто осуществляет такоеделение. Так, обычный пользователь, неискушенный в программировании, может считать MicrosoftWordсистемной программой, а, с точки зрения программиста, это – приложение. Компилятор языка Си дляобычного программиста – системная программа, а для системного – прикладная. Несмотря на эту нечеткую грань, данную ситуацию можно отобразить в виде последовательности слоев, выделивотдельно наиболее общую часть системного программного обеспечения – операционную систему:

Большинство пользователей имеет опыт эксплуатации операционных систем, но тем не менее они затруднятся дать этому понятию точное определение. Давайте кратко рассмотрим основные точки зрения.

Операционная система как виртуальная машина

При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощенияи позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируядетали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компьютером.Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных команд очень неудобна для использованияприкладными программами. Например, работа с диском предполагает знание внутреннего устройства егоэлектронного компонента – контроллера для ввода команд вращения диска, поиска и форматированиядорожек, чтения и записи секторов и т. д. Ясно, что средний программист не в состоянии учитывать всеособенности работы оборудования (в современной терминологии – заниматься разработкой драйверовустройств), а должен иметь простую высокоуровневую абстракцию, скажем представляя информационное пространство диска как набор файлов. Файл можно открывать для чтения или записи, использоватьдля получения или сброса информации, а потом закрывать. Это концептуально проще, чем заботиться одеталях перемещения головок дисков или организации работы мотора. Аналогичным образом, с помощью простых и ясных абстракций, скрываются от программиста все ненужные подробности организациипрерываний, работы таймера, управления памятью и т. д. Более того, на современных вычислительныхкомплексах можно создать иллюзию неограниченного размера оперативной памяти и числа процессоров.Всем этим занимается операционная система. Таким образом, операционная система представляетсяпользователю виртуальной машиной, с которой проще иметь дело, чем непосредственно с оборудованием компьютера.

Операционная система как менеджер ресурсов

Операционная система предназначена для управления всеми частями весьма сложной архитектуры компьютера. Представим, к примеру, что произойдет, если несколько программ, работающих на одном компьютере, будут пытаться одновременно осуществлять вывод на принтер. Мы получили бы мешанинустрочек и страниц, выведенных различными программами. Операционная система предотвращает такогорода хаос за счет буферизации информации, предназначенной для печати, на диске и организации очереди на печать. Для многопользовательских компьютеров необходимость управления ресурсами и их защиты еще более очевидна. Следовательно, операционная система, как менеджер ресурсов, осуществляетупорядоченное и контролируемое распределение процессоров, памяти и других ресурсов между различными программами.

Операционная система как защитник пользователей и программ

Если вычислительная система допускает совместную работу нескольких пользователей, то возникаетпроблема организации их безопасной деятельности. Необходимо обеспечить сохранность информации надиске, чтобы никто не мог удалить или повредить чужие файлы. Нельзя разрешить программам однихпользователей произвольно вмешиваться в работу программ других пользователей. Нужно пресекать попытки несанкционированного использования вычислительной системы. Всю эту деятельность осуществляет операционная система как организатор безопасной работы пользователей и их программ. С такойточки зрения операционная система представляется системой безопасности государства, на которую возложены полицейские и контрразведывательные функции.

Операционная система как постоянно функционирующее ядро

Наконец, можно дать и такое определение: операционная система – это программа, постоянно работающая на компьютере и взаимодействующая со всеми прикладными программами. Казалось бы, это абсолютно правильное определение, но, как мы увидим дальше, во многих современных операционных системах постоянно работает на компьютере лишь часть операционной системы, которую принято называтьее ядром.

Основы операционных систем

Как мы видим, существует много точек зрения на то, что такое операционная система. Невозможно датьей адекватное строгое определение. Нам проще сказать не что есть операционная система, а для чего онанужна и что она делает.