Что такое Операционная система (ОС)

Операционная система (ОС)

• ОС представляет собой организованную совокупность управляющих и обрабатывающих программ, как обычных, так и пользовательских.
• ОС управляет ресурсами компьютера, обеспечивая эффективное их использование.
• В состав ОС входят драйверы устройств, командный процессор, модули пользовательского интерфейса, файловая система, утилиты и справочная система.
• ОС обеспечивает взаимодействие программ с устройствами и между собой, распределяет память и реагирует на события.

Общее управление машиной

• Осуществляется на основе командного языка, позволяющего выполнять операции, такие как разметка дисков, копирование файлов, запуск программ и настройка устройств.
• Включает организованный набор управляющих программ, управление ресурсами, драйверы, командный процессор и взаимодействие программ.

Главное назначение ОС

• Главное назначение - управление ресурсами компьютера.
• Включает также набор управляющих программ, командный язык, драйверы и обеспечение взаимодействия между компонентами системы.

Состав ОС

• Драйверы устройств обеспечивают взаимодействие с аппаратным обеспечением.
• Командный процессор интерпретирует команды пользователя.
• Программные модули создают пользовательский интерфейс.
• Управление файловой системой позволяет организовывать хранение данных.
• Сервисные программы (утилиты) предоставляют дополнительные функции.
• Справочная система помогает пользователю в работе с ОС.

Обеспечение ОС

• ОС обеспечивает взаимодействие программ с внешними устройствами и между собой.
• Распределение оперативной памяти является важной задачей ОС.
• ОС выявляет события, возникающие в процессе работы, и реагирует на них.

Категории пользователей ОС

• Операторы ЭВМ контролируют работу ОС и вмешиваются при необходимости.
• Системные программисты занимаются сопровождением и настройкой ОС.
• Администраторы систем устанавливают порядок работы на ЭВМ и взаимодействуют с ОС.
• Программы обращаются к ОС через специальные команды.
• Пользователи являются абонентами вычислительной сети.

Классификация ОС по функциональности

• Наиболее простая ОС предоставляет минимальный набор средств для управления ресурсами и доступа к файловой системе, часто используется на 8-разрядных ПЭВМ.
• ОС с развитыми средствами позволяют создавать удобные среды для разработки ПО и автоматизированные рабочие места.
• ОС, ориентированные на поддержку разработки ПО, имеют развитую файловую систему и мощный командный язык.
• ОС, ориентированные на удобство пользователей, используют графику и манипуляторы для взаимодействия.
• Операционной системе присваивается статус самого полномочного пользователя.

Эволюция операционных систем

• Нулевое поколение: Отсутствие ОС, программы писались в машинных кодах.
• Первое поколение: Запущенная задача получала все ресурсы компьютера.
• Второе поколение: ОС становятся системами коллективного пользования с мультипрограммным режимом.
• Третье поколение: ОС становятся программной прослойкой между пользователями и аппаратурой ЭВМ.
• Четвертое поколение: Использование концепции виртуальных машин.

Свойства ОС

• Расширяемость: Дополнения и изменения не нарушают целостность системы.
• Переносимость: Код ОС легко переносится между процессорами разных типов.
• Совместимость: Поддержка интерфейсов и программ других ОС.
• Надежность: Защита от ошибок, сбоев и отказов.
• Безопасность: Защита данных и ресурсов от несанкционированного доступа.

Основные характеристики ОС

• Мультипрограммирование: Выполнение нескольких программ на одном процессоре попеременно.
• Пропускная способность: Количество задач, выполняемых системой в единицу времени.
• Реактивность системы: Время между запуском программы и получением результата.
• Производительность: Быстродействие и время реакции ОС.

Типы операционных систем

• Системы разделения времени: Приложениям выделяется квант процессорного времени.
• Системы реального времени: Обработка заданий в заданные интервалы времени.
• Мультитерминальные ОС: С одной системой могут работать несколько пользователей.
• Микроядерные ОС: Пользователь может сам собрать ядро, включив необходимые модули.
• Системы пакетной обработки: Переключение между задачами происходит по инициативе активной задачи.

Основные понятия ОС

• Последовательный процесс: Выполнение отдельной программы с ее данными.
• Процесс: Программа в стадии выполнения.
• Поток: Последовательный переход процессора от одной команды к другой.
• Ресурс: Объект, который может распределяться внутри системы.
• Мультипрограммная ОС: Набор процессов, взаимодействующих и состязающихся за ресурсы.

Типы программных модулей

• Однократно используемые: Выполняются только один раз при загрузке ОС.
• Повторно используемые: Могут быть разных типов и повторно вызываться.
• Привилегированные: Работают при отключенных прерываниях.
• Непривилегированные: Могут быть прерваны во время работы.
• Реентерабельные: Допускают многократное прерывание и повторный запуск.
• Повторно входимые: Состоят из секций с запрещенными прерываниями и имеют определенные точки входа.

Состояния потока

• Выполнение: Активное состояние, поток обладает ресурсами и выполняется.
• Ожидание или блокирование: Пассивное состояние, поток заблокирован по внутренним причинам.
• Готовность: Пассивное состояние, поток заблокирован по внешним причинам.

Основные компоненты системы

• Сегмент: Часть информации, именованная и занимающая смежные ячейки памяти.
• Программа: Набор инструкций, изменяющих состояние машины.
• Состояние памяти: Определяется загруженными сегментами.
• Состояние процессора: Определяется содержанием регистров.

Контексты

• Активность: Непрерывное выполнение процедуры.
• Контекст активности: Информация, доступная процессору во время активности.
• Контекст процессора: Программируемые и внутренние регистры.
• Контекст памяти: Сегмент-процедура, сегменты данных.
• Область среды: Структура данных в вершине стека выполнения.

Прерывания

• Прерывание: Принудительная передача управления от выполняемой программы к системе при возникновении события.
• Внешние прерывания: Аппаратные события, асинхронные с работой процессора.
• Внутренние прерывания: События, связанные с работой процессора.
• Аппаратное прерывание: Событие, генерируемое внешним устройством.
• Программное прерывание: Возникает в результате выполнения команды прерывания.

Исключительные ситуации (ИС)

• ИС: Возникает при выполнении недопустимой команды.
• Исправимая ИС: Явление обычное, программа продолжает работу после устранения причины.
• Неисправимая ИС: Следствие ошибок в программах.
• Опрашиваемое прерывание: Запрос содержит только информацию об уровне приоритета.
• Векторное прерывание: Устройствам назначается вектор прерываний для идентификации.

Линии IRQ (Interrupt Request)

• IRQ 0: Системный таймер
• IRQ 1: Контроллер клавиатуры
• IRQ 2: Сигнал возврата по кадру (соединен с IRQ9)
• IRQ 3: Обычно COM2/COM4 (последовательный порт)
• IRQ 4: Обычно COM1/COM3 (последовательный порт)
• IRQ 5: Обычно свободен или используется звуковой картой
• IRQ 6: Контроллер FDD
• IRQ 7: Параллельный порт LPT1
• IRQ 8: Часы реального времени
• IRQ 9: Линия параллельна IRQ2
• IRQ 10: Свободно
• IRQ 12: Обычно контроллер мыши типа PS/2
• IRQ 13: Математический сопроцессор
• IRQ 14: Обычно контроллер IDE0 (первый канал)
• IRQ 15: Обычно контроллер IDE1 (второй канал)

Архитектура ОС

• Архитектура ОС - структурная организация на основе модулей.
• Объект - совокупность свойств и механизмов взаимодействия.
• Класс объектов - группировка объектов с общими свойствами.
• Подкласс - множество объектов в классе с дополнительными общими свойствами.
• Ядро - модули, выполняющие основные функции ОС.

Принципы проектирования ОС

• Независимость концепции: Пользователю безразлична реализация машины.
• Независимость модификаций: Изменения в реализации не требуют изменений в использующих машинах.
• Независимость отладки: Отладка может производиться независимо после спецификации интерфейса.
• Имя: Позволяет обозначать и отличать объект.
• Состояние: Определяется в каждый момент времени и может изменяться.

Основные компоненты ядра.

• Машинно-зависимые компоненты ОС: отражают специфику аппаратной платформы.
• Базовые механизмы ядра: выполняют примитивные операции.
• Менеджеры ресурсов: решают задачи по управлению ресурсами.
• Интерфейс системных вызовов: взаимодействует с приложениями.

Архитектуры ядра

• Монолитное ядро: Все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве.
• Микроядерная архитектура: Компоненты ядра, кроме микроядра, работают как самостоятельные процессы.
• Микроядро: Обеспечивает взаимодействие процессов, планирование и управление памятью.
• Сервер ОС: Обслуживает запросы локальных приложений и других модулей ОС.
• Системный вызов: Задача переходит в режим ядра.

Управление потоками

• Планирование потоков: Осуществляется на основе информации в описателях процессов и потоков.
• Диспетчеризация: Реализация найденного решения при планировании.
• Синхронизация: Согласование скоростей потоков путем приостановки и активизации.
• Тупик: Состояние, когда процессы ждут событий, которые могут быть вызваны только одним из этих процессов.
• Гонка: Ситуация, когда результат зависит от соотношения скоростей потоков, обрабатывающих разделяемые данные.