Linux, Windows, Mac OS? Зачем они нужны? Понимание того, как работают операционные системы, поможет создавать качественные приложения.

Есть несколько причин, почему программистам стоит знать, как работают операционные системы. Одна из них – чтобы понимать, как работают программы. Представьте: вы пишете код, который кажется рабочим, но программа тормозит. Что делать? Можно попробовать разобраться с ограничениями операционной системы, но вы ведь не умеете!

Если стремитесь построить карьеру программиста, стоит понять, как работают операционные системы. Например, можно изучить курс «Введение в операционные системы» от Georgia Tech. В нем рассказывается, как работают ОС: механизмы работы, параллельное программирование (потоки и синхронизация), взаимодействие между процессами, распределённые ОС.

Осветим 10 наиболее важных принципов, о которых говорилось в курсе Udacity, и разберемся как же работают операционные системы.

Что такое операционная система

Это первое, о чем нужно задуматься, если вы решили разобраться, как работают операционные системы. ОС представляют собой набор программного обеспечения. Это ПО управляет компьютерным оборудованием и предоставляет техническую базу для программ. А ещё они управляют вычислительными ресурсами и обеспечивают защиту. Главное, что у них есть, – это доступ к управлению компонентами компьютера.

Файловая система, планировщик и драйверы – всё это основные инструменты работы ОС.

Существует три ключевых элемента операционной системы:

Абстракции (процессы, потоки, файлы, сокеты, память).
Механизмы (создание, управление, открытие, запись, распределение).
Реализации (алгоритмы LRU, EDF).

Кроме того, есть два основных принципа проектирования операционных систем:

Максимальная гибкость: отделение механизмов от конкретных реализаций.
Ориентация на пользователей: на каких устройствах будет работать ОС, что нужно пользователю, каковы требования к производительности.

Теперь подробнее разберём глобальные концепции, которые помогут сформировать понимание того, как работают операционные системы.

Процессы и управление

Процесс – не что иное, как исполнение программы. Так как программа записана в виде последовательности действий в текстовый файл, процессом она становится только при запуске.

Загруженная в память программа может быть условно разделена на четыре части: стек, кучу, контекст и данные.

Stack: стек процесса содержит временные данные, такие как параметры метода, адрес возврата и локальные переменные.
Heap: это динамически распределяемая память процесса времени его выполнения.
Text: хранит состояние регистров, состояние программного счетчика, режим работы процессора, незавершенные операции ввода-вывода, информацию о выполненных системных вызовах.
Data: раздел содержит глобальные и статические переменные.

Когда процесс выполняется, он проходит через разные состояния. Эти этапы могут различаться в разных операционных системах.

Общая картина выглядит так:

Start: начальное состояние при создании процесса.
Ready: процесс ожидает исполнения на процессоре. В течение работы процессор может переключаться между процессами, переводя одни в режим готовности, другие – в режим исполнения.
Running: выполнение инструкций.
Wait: процесс переходит в состояние ожидания. Например, ждёт ввода данных или получения доступа к файлу.
Terminated: как только процесс завершится, он перейдёт в это состояние и будет ожидать удаления.

Немного терпения: мы уже близки к пониманию того, как работают операционные системы 😉

Блок управления процессов (Process Control Block) – это структура данных, поддерживаемая операционной системой для каждого процесса. PCB имеет идентификатор PID. Именно PCB хранит всю информацию, необходимую для отслеживания процесса.

Process ID: идентификатор каждого из процессов в ОС.
State: текущее состояние процесса.
Privileges: разрешения доступа к системным ресурсам.
Pointer: указатель на родительский процесс.
Priority: приоритет процесса и другая информация, которая требуется для планирования процесса.
Program Counter: указатель на адрес следующей команды, которая должна быть выполнена.
CPU registers: регистры процессора, необходимые для состояния исполнения.
Accounting Information: уровень нагрузки на процессор, статистика и другие данные.
I/O Information: список ресурсов, использующих чтение и запись.

Потоки и параллелизм

Поток (нить, thread) – это ход исполнения программы. Он также имеет свой program counter, переменные, стек.

Потоки одной программы могут работать с одними данными, а взаимодействовать между собой через код.

Поток – это легковесный процесс. Вместе они обеспечивают производительность приложений и ОС за счет параллелизма на уровне программы.

Каждый поток относится к какому-то процессу и не может существовать без него. Сегодня потоки широко применяются в работе серверов и многопроцессорных устройств с общей памятью.

Чем хороши потоки:

Они минимизируют время переключения контекста (процессора).
Их использование обеспечивает параллелизм процесса.
Они эффективно общаются между собой.
Потоки позволяют использовать многопроцессорные архитектуры в большем масштабе.

Потоки имеют два уровня реализации:

Пользовательский уровень, то есть потоки, управляемые приложениями;
Уровень ядра, то есть потоки, управляемые ядром операционной системы.

В первом случае ядро управления потоками ничего не знает о существовании потоков вообще. А библиотека потоков просто содержит код для создания и уничтожения потоков, а также передачи сообщений и данных между ними для планирования выполнения потоков и сохранения (восстановления) контекстов потоков.

Во втором случае ядро выполняет создание потоков, а ещё планирование и управление в пространстве ядра. Заметим, что потоки ядра обычно медленнее, чем потоки пользователей.

Планирование

Планировщик – это часть менеджера процессов, которая ответственна за переключение между процессами и выбор очереди по какой-либо стратегии.

ОС поддерживает все блоки управления процессом (PCB) в очередях планирования процесса:

Очередь задач (job queue) поддерживает все процессы в системе.
Очередь ожидания (ready queue) хранит информацию обо всех процессах, находящихся в основной памяти в состоянии ожидания. В эту очередь попадают и новые процессы.
Очереди из устройств (device queue) – это процессы, заблокированные из-за недоступности устройств ввода-вывода.

ОС может использовать разные методы реализации для управления очередями (FIFO, Round Robin, Priority). Планировщик ОС определяет, когда и как перемещать процессы между готовыми и запущенными очередями (могут иметь только одну запись на ядро процессора в системе). На приведенной выше диаграмме он был объединен с процессором.

Модели состояния делятся на активные и неактивные:

Активные: при создании нового процесса он переходит в класс активных.
Неактивные: процессы, которые не выполняются, а ждут завершения других процессов. Каждая запись в очереди является указателем на конкретный процесс. Очередь реализуется с использованием связанного списка. Использование диспетчера заключается в следующем: когда процесс прерывается, то переносится в очередь ожидания. Если процесс завершен или отменен – он отменяется вовсе.

Переключение контекста – это механизм сохранения (в PCB) и восстановления контекста процессора с ранее запущенного промежутка времени. При использовании этого метода, коммутатор контекста позволяет использовать один процессор для нескольких действий одновременно. Кстати, контекстное переключение является неотъемлемой частью многозадачной операционной системы.

Когда планировщик переключает процессор с одного процесса на другой, состояние из текущего запущенного процесса сохраняется в блоке управления. Затем состояние для следующего процесса загружается из своего PCB в регистры процессора. Только потом второй процесс может быть запущен.

При переключении следующая информация сохраняется для последующего использования: счетчик программы, информация планировщика, значение регистра базы и лимита, используемый в настоящее время регистр, измененное состояние, информация о состоянии ввода и вывода, учетная информация.

Управление памятью

Ещё одна важная часть – та, что отвечает за все операции по управлению первичной памятью. Существует менеджер памяти, который обрабатывает все запросы на получение памяти и высвобождение. Он же следит за каждым участком памяти, независимо от того, занят он или свободен. И он же решает, какой процесс и когда получит этот ресурс.

Адресное пространство процесса – набор логических адресов, к которым программа обращается в коде. Например, если используется 32-битная адресация, то допустимые значения варьируются от 0 до 0x7fffffff, то есть 2 Гб виртуальной памяти.

Операционная система заботится о том, чтобы сопоставить логические адреса с физическими во время выделения памяти программе. Нужно также знать, что существует три типа адресов, используемых в программе до и после выделения памяти:

Символьные адреса : или по-другому адреса, используемые в исходном коде. Имена переменных, константы и метки инструкций являются основными элементами символического адресного пространства.
Относительные адреса : компилятор преобразует символические адреса в относительные адреса.
Физические адреса : загрузчик генерирует эти адреса в момент загрузки программы в основную память.

Виртуальные и физические адреса одинаковы как в процессе загрузки, так и во время компиляции. Но они начинают различаться во время исполнения.

Набор всех логических адресов, которые создала программа, называется логическим адресным пространством . Набор всех физических адресов, соответствующих этим логическим адресам, называется физическим адресным пространством.

Межпроцессорное взаимодействие

Существует два типа процессов: независимые и взаимодействующие. На независимые не оказывается влияние процессов сторонних, в отличие от взаимодействующих.

Можно подумать, что процессы, которые работают независимо, выполняются эффективнее, но зачастую это не так. Использование кооперации может повысить скорость вычислений, удобство и модульность программ.

Межпроцессная коммуникация (IPC) – это механизм, который позволяет процессам взаимодействовать друг с другом и синхронизировать действия. Связь между этими процессами может рассматриваться как сотрудничество.

Процессы могут взаимодействовать двумя способами: через общую память или через передачу сообщений.

Метод использования общей памяти

Допустим, есть два процесса: исполнитель (производитель) и потребитель. Один производит некоторый товар, а второй его потребляет. Эти два процесса имеют общее пространство или ячейку памяти, известную как «буфер». Там хранится элемент, созданный исполнителем, оттуда же потребитель получает этот элемент.

Однако у этих версий есть как минимум две значимые проблемы: первая известна как проблема безграничного буфера: исполнитель может продолжать создавать элементы без ограничений на размер буфера. Вторая заключается в том, что исполнитель, заполнив буфер, переходит в режим ожидания.

В задаче с ограниченным буфером у исполнителя и потребителя будет общая память. Если общее количество произведенных товаров равно размеру буфера, то исполнитель будет ждать их потребления.

Аналогично потребитель сначала проверит наличие товара, и если ни один элемент не будет доступен, придётся ждать его освобождения.

Метод анализа сообщений

С помощью этого метода процессы взаимодействуют друг с другом без использования общей памяти. Допустим, есть два процесса, p1 и p2, которые хотят взаимодействовать друг с другом. Они работают следующим образом:

Устанавливается связь (если её ещё не существует).
Начинается обмен сообщениями с помощью базовых примитивов. Нам нужно как минимум два примитива – отправить (сообщение, пункт назначения) или получить (сообщение).

Размер сообщения может быть фиксированным или переменным. Проектировщикам ОС проще работать с сообщениями фиксированного размера, а программистам – переменного. Стандартное сообщение состоит из двух частей – заголовка и тела.

Управление вводом и выводом

Одной из важнейших задач операционной системы является управление различными устройствами ввода и вывода вроде мыши, клавиатуры, дисководов, etc.

Система ввода и вывода принимает запрос приложения на ввод или вывод данных, а затем отправляет его на соответствующее физическое устройство. После возвращает приложению полученный ответ. Устройства ввода и вывода можно разделить на две категории:

Блочные: то есть устройства, с которыми драйверы связываются, отправляя целые блоки данных. Например, жесткие диски, USB-камеры, Disk-On-Key.
Символьные: те устройства, с которыми драйвер связывается, отправляя и получая одиночные символы (байты или октеты). Например, последовательные порты, параллельные порты, звуковые карты и так далее.

ЦПУ должен иметь способ передачи информации на устройство ввода-вывода и обратно. И есть три способа сделать это:

Специальные инструкции

Особые, неуниверсальные инструкции процессора, внедренные специально для контроля устройств ввода-вывода. Они позволяют отправлять данные на устройство и считывать их оттуда.

Входы и выходы с отображением памяти

Когда используется ввод-вывод с отображением памяти, одно и то же адресное пространство разделяется памятью и устройствами ввода-вывода. Устройство подключается непосредственно к ячейкам памяти так, чтобы можно было передавать блок данных без применения ЦПУ.

Прямой доступ к памяти (DMA)

Медленные устройства, такие как клавиатуры, генерируют прерывания ЦПУ после передачи каждого байта. Если бы быстрые устройства работали похожим образом, то ОС бы тратила большую часть времени впустую, на обработку этих прерываний. Поэтому для снижения нагрузки обычно используется прямой доступ к памяти (DMA).

Это означает, что ЦПУ предоставляет модулю ввода и вывода полномочия для чтения или записи в память. Сам модуль управляет обменом данными между основной памятью и устройством ввода-вывода. ЦПУ участвует в начале и конце передачи, а прерывается только после полной передачи блока.

Организация прямого доступа к памяти требует специального оборудования, называемого контроллером DMA (DMAC). Он управляет передачей данных и доступом к системной шине. Контроллеры запрограммированы с указателями источника и места назначения, счетчиками для отслеживания количества переданных байтов и прочими настройками.

Виртуализация

Технология, которая позволяет создавать несколько сред или выделенных ресурсов из единой физической аппаратной системы называется виртуализация

Программное обеспечение, гипервизор, напрямую подключается к этой аппаратной системе и позволяет разбить ее на отдельные, безопасные среды – виртуальные машины. По идее, гипервизор должен аппаратные ресурсы между виртуальными машинами так, чтобы процессы выполнялись быстрее.

Физическая машина с гипервизором называется хостом , а виртуальные машины, которые используют ресурсы данного хоста – гостями . Для них ангаром ресурсов являются процессор, память, хранилище. Для получения доступа к этим ресурсам операторы управляют виртуальными экземплярами.

В идеале, все связанные виртуальные машины управляются с помощью единой веб-консоли управления виртуализацией. Она нужна, чтобы ускорять работу. Виртуализация позволяет определить, сколько вычислительной мощности и памяти выделять виртуальным машинам. Кроме того, так как виртуальные машины технически не связаны между собой, это повышает безопасность сред.

Проще говоря, виртуализация создает дополнительные мощности для выполнения процессов.

Типы виртуализации

Данные: позволяет компаниям обеспечивать вычислительные мощности для объединения данных из нескольких источников, размещения новых источников и преобразования данных в соответствии с потребностями пользователя.
Рабочий стол: легко спутать с виртуализацией операционной системы. Виртуализация рабочего стола позволяет центральному администратору одновременно развёртывать смоделированные среды на сотнях физических машин. Виртуальные системы позволяют администраторам выполнять массовые конфигурации, обновления и проверки безопасности на всех устройствах сразу.
Серверы : программная имитация с помощью специального ПО аппаратного обеспечения компьютера: процессор, память, жесткий диск, и т. д. На такой виртуальный компьютер можно установить операционную систему, и она будет на нем работать точно так же, как и на простом, «железном» компьютере. Самое интересное достоинство этой технологии – это возможность запуска нескольких виртуальных компьютеров внутри одного физического. При этом, все виртуальные компьютеры могут работать независимо друг от друга.
Сервер – компьютер, спроектированный под выполнение большого объема специфических задач. Виртуализация сервера позволит ему выполнять больше этих специальных задач, а также разделить функционал на разные компоненты.
ОС : это способ одновременного запуска Linux и Windows-сред. Преимущество в том, что это уменьшает затраты на оборудование, повышает безопасность и экономит время на обслуживании.
Сетевые функции : разделяет ключевые функции сети (например, службы каталогов, общий доступ к файлам и IP-конфигурацию) для распределения между средами. Виртуальные сети сокращают количество физических компонентов: коммутаторов, маршрутизаторов, серверов, кабелей.

Система файловой дистрибуции

Распределенная файловая система – это клиентское или клиент-серверное приложение, которое позволяет получать и обрабатывать данные. Они хранятся на сервере, как если бы они находились на персональном компьютере. Когда пользователь запрашивает файл, сервер отправляет ему копию запрашиваемого файла, который кэшируется на компьютере пользователя во время обработки данных, а затем возвращается на сервер.

Бывает так, что за одними и теми же данными одновременно обращаются сразу несколько пользователей. Для этих целей сервер должен иметь механизм организации обновлений, чтобы клиент всегда получал самую актуальную версию данных. Распределенные файловые системы обычно используют репликацию файлов или баз данных для защиты от сбоев.

Сетевая файловая система Sun Microsystems (NFS), Novell NetWare , распределенная файловая система Microsoft и DFS от IBM являются примерами распределенных файловых систем.

Распределенная общая память

Распределенная общая память (DSM) – это компонент управления ресурсами распределенной операционной системы. В DSM доступ к данным осуществляется из общего пространства, аналогично способу доступа к виртуальной памяти. Данные перемещаются между дополнительной и основной памятью, а также между разными узлами. Изменения прав собственности происходят, когда данные перемещаются с одного узла на другой.

Преимущества распределенной общей памяти:

Программистам можно не беспокоиться о передаче памяти между машинами, потому что перемещение данных можно скрыть;
Можно передавать сложные структуры по ссылке, упрощая разработку алгоритмов для распределенных приложений;
Это дешевле, чем многопроцессорные системы и может быть реализовано с использованием обычного оборудования;
Можно использовать неограниченное количество узлов;
Программы, написанные для мультипроцессоров с общей памятью, могут быть запущены в системах DSM.

Облачные вычисления

Всё больше процессов переходит в облако. По сути, облачные вычисления – это своего рода аутсорсинг компьютерных программ. Используя облачные вычисления, пользователи могут получать доступ к программному обеспечению и приложениям из любого места. Это означает, что им не нужно беспокоиться о таких вещах, как хранение данных и питание компьютера.

Традиционные бизнес-приложения всегда были очень сложными, дорогими в обслуживании – нужна команда экспертов для установки, настройки, тестирования, запуска, защиты и обновления. Это одна из причин, почему стартапы проигрывают корпорациям.

Используя облачные вычисления, вы передаёте ответственность за аппаратное и программное обеспечение опытным специалистам, таким как Salesforce и AWS. Вы платите только за то, что вам нужно, апгрейд платежного плана производится автоматически по мере ваших потребностей, а масштабирование системы протекает без особых сложностей.

Приложения на базе облачных вычислений могут работать эффективнее, дольше и стоить дешевле. Уже сейчас компании используют облачные приложения для множества приложений, таких как управление отношениями с клиентами (CRM), HR, учет и так далее.

Итоги

В заключение хочется ещё раз вернуться к тому, зачем вообще разбираться в том как работают операционные системы. Операционная система – это «мозг», который управляет входными, обрабатываемыми и выходными данными. Все остальные компоненты также взаимодействуют с операционной системой. Понимание того, как работают операционные системы, прояснит некоторые детали и в других компьютерных науках, ведь взаимодействие с ними организуется именно средствами ОС.

Представление о том, что такое операционная система, менялось со временем. Первые компьютеры использовались только для решения математических задач, а программами служили написанные в машинных кодах вычислительные алгоритмы. Программисту при кодировании программ приходилось самостоятельно управлять компьютером и обеспечивать выполнение своей программы. Со временем для облегчения процесса написания программ был создан набор служебных программ. С развитием электроники аппаратура совершенствовалась и появилась возможность одновременного выполнения нескольких программ, в связи с этим были созданы алгоритмы переключения заданий. Набор подпрограмм, обеспечивающих переключение, назывался монитором или супервизором. Однако, возникла проблема прерывания работы программ, содержащих ошибки и потребляющих ресурсы компьютера (например, постоянно занимающих процессор или ошибочно записывающих результаты своей работы в оперативную память, где размещаются другие программы). Выход был найден в создании специальных аппаратных механизмов, защищающих память программ от случайного доступа со стороны других программ. Поскольку управление этими механизмами уже нельзя было включать в сами программы, к монитору была добавлена специальная программа, управляющая защитой памяти. Так был создан резидентный монитор. Последовательное решение подобных проблем было направлено на создание универсальной ЭВМ, способной решать одновременно разнообразные задачи.

Резидентный монитор – это уже зачатки операционной системы. Прикладные программы стали содержать только реализацию своего алгоритма и обращение за вспомогательными алгоритмами к монитору, при этом использовался специальный набор правил, называемый прикладным программным интерфейсом. Прикладной программный интерфейс позволил создавать абстрактные понятия. Появились понятия файла и файловой системы. В дальнейшем, к резидентному монитору было добавлено много других программ, в частности, облегчающих выполнение таких операций как копирование файлов, редактирование текстов, компиляции программ с языка программирования в машинный код и другие. Термин « резидентный монитор» трансформировался в ядро операционной системы.

Запуск компьютера. BIOS.

Обычно компьютер запускается при включении питания на лицевой панели системного блока, хотя современные компьютеры имеют такие средства для экономного расходования электроэнергии, которые позволяют их не выключать. Запуск компьютера – самый ответственный момент работы компьютера – в этот момент в оперативной памяти нет ни данных, ни программ. Перенести их с жесткого диска в оперативную память без команд нельзя. Для этой цели у процессора есть специальная ножка, которая называется RESET (перезапуск). Если на нее поступает сигнал (а в момент включения именно так и происходит), процессор обращается к специально выделенной ячейке памяти. Необходимо, чтобы в этой ячейке всегда была определенная информация, причем даже тогда, когда компьютер выключен. Для этого предназначена специальная микросхема – ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Это тоже память, но постоянная. В отличие от оперативной памяти постоянная память не стирается при выключении. Программы микросхемы ПЗУ записываются на заводе. Этот комплекс программ называется BIOS – базовая система ввода/вывода. Эта система « встроена» в материнскую плату компьютера. Ее назначение состоит в выполнении элементарных действий, связанных с осуществлением операций ввода-вывода. BIOS содержит также тест функционирования компьютера, проверяющий работу памяти и устройств компьютера при включении электропитания. Работа программ, записанных в микросхеме BIOS, отображается на черном экране бегущими белыми строчками. В этот момент компьютер проверяет свои устройства: проверяется оперативная память (сколько ее и вся ли она в порядке), наличие жестких дисков, а также наличие клавиатуры. Если что-то не работает, программы, выполняющие проверку, сообщат о неисправности. Кроме того, базовая система ввода-вывода содержит программу вызова загрузчика операционной системы.

Загрузчик операционной системы– это специальная программа, предназначенная для инициирования процесса загрузки системы.

После загрузки операционной системы вся работа с процессором и другими устройствами осуществляется посредством специальных пакетов программ, входящих в операционную систему.

Если по каким-то причинам загрузка операционной системы с жесткого диска не состоится, то работа с компьютером невозможна. Такое бывает, если, например, поврежден жесткий диск или операционная система. В этом случае операционную систему можно загрузить с внешнего носителя информации. Для этого нужен специальный диск, который называют системным. Таким методом запускают компьютер при устранении неисправностей.

Назначение операционной системы.

Компьютеры не всегда нуждались в операционной системе. Если компьютер мог включаться, начинать работать и воспринимать команды человека без операционной системы, то в ней не было никакой необходимости. Примерами таких « компьютеров» могут быть игровые приставки. У них тоже есть процессор, оперативная память, в которой находится программа во время работы, есть устройства ввода информации (например, джойстик), но операционной системы нет или она совсем примитивна.

Игровые программы для приставок (и данные к ним, такие как музыка и рисунки) записаны в микросхеме ПЗУ (она находится в игровом картридже) или на лазерном диске. Когда картридж (или лазерный диск) вставляется в приставку, программа автоматически запускается и никакого управления, кроме того, которое положено по сценарию игры, не предполагается, поэтому и никакая операционная система не нужна. На приставку можно посмотреть и с другой стороны. Загружая игру, попадают под управление как бы ее игровой « операционной системы» и можно делать только то, что в игре предусмотрено, например, «бегать», «прыгать» и «стрелять». Ограниченность и нестандартность не позволяют назвать видеоигру «операционной системой» без кавычек. Настоящая операционная система должна:

– быть общепризнанной и использоваться как стандартная система на многих компьютерах;

– работать с многочисленными аппаратными устройствами, выпущенными разными фирмами, в том числе и в прошлое время;

– обеспечивать возможность запуска самых разных программ, написанных разными людьми и выпущенных разными организациями;

– предоставлять средства для проверки, настройки, обслуживания компьютера, его устройств и программ, которые на нем установлены.

Интерфейс аппаратный и программный.

В компьютерной системе два участника – программное и аппаратное обеспечение. Программное обеспечение – это все программы, установленные на компьютере, а аппаратное обеспечение – узлы и оборудование, которые находятся внутри системного блока или подключены снаружи.

Взаимосвязь между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Взаимодействие между различными узлами – это аппаратный интерфейс, взаимодействие между программами – программный интерфейс, а взаимодействие между аппаратурой и программами – аппаратно-программный интерфейс.

В компьютере аппаратный интерфейс обеспечивают изготовители оборудования. Они следят за тем, чтобы все узлы имели одинаковые разъемы и работали с одинаковыми напряжениями. Согласование между программным и аппаратным обеспечением выполняет операционная система.

Интерфейс пользователя.

Если речь идет о персональном компьютере, то можно указать и третьего участника работы с компьютерной системой – это человек (его принято называть пользователем). Пользователю тоже надо взаимодействовать с аппаратным и программным обеспечением.

Существуют различные программы и с каждой надо работать по-разному. Одни программы рассчитаны на работу с клавиатурой, другие – на работу с мышью, прочие на работу с джойстиком или другими устройствами управления. Одни программы свои сообщения выдают в виде текстов на экране, другие – в виде графики, прочие могут вообще не пользоваться экраном и выдавать сообщения в виде речи или звуков. Способ взаимодействия человека с программой и программы с человеком называют интерфейсом пользователя. Если программа сделана так, что с ней работать удобно, говорят, что она имеет удобный интерфейс пользователя. Если техника работы с программой понятна сразу, без необходимости изучать инструкции, говорят, что она имеет интуитивно понятный интерфейс. Понятие развитый интерфейс пользователя предполагает, что у программы большие возможности, но учиться работать с ней непросто. Гибкий интерфейс означает, что с программой можно работать многими разными способами. Понятие жесткий интерфейс означает, что возможна только такая работа, которая предусмотрена инструкцией, и никакая другая. Понятие примитивный интерфейс означает, что интерфейс прост для изучения, но неудобен для работы.

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА DOS

DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.)

С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. Операционная система DOS позволила успешно работать с персональными компьютерами на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOS выступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – тогда появились так называемые программы-оболочки.

Оболочка – это программа, которая запускается под управлением операционной системы и помогает пользователю работать с операционной системой. Программа – оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно разыскивать, копировать, перемещать, удалять, сортировать, изменять и запускать, пользуясь всего лишь несколькими клавишами. Просто, наглядно, удобно. Одна из самых известных и распространенных во все мире программ-оболочек называется Norton Commander (NC). Оболочка NC скрывает от пользователя множество неудобств, возникающих при работе с файловой системой MS DOS, например, такие, как необходимость набирать команды из командной строки. Простота и удобство в использовании– вот что делает оболочки типа NC популярными и в наше время (к ним можно отнести QDos, PathMinder, XTree, Dos Navigator, Volkov Commander и др.). Принципиально отличаются от них графические оболочки Windows 3.1 и Windows 3.11. В них применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану и закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу.

В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются жесткие ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может состоять не более чем из восьми символов. Расширение указывается после точки и состоит не более чем из трех символов. Расширение в имени файла не является обязательным, оно добавляется для удобства, так как расширение позволяет узнать, какая программа создала его и тип содержимого файла. DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами. Кроме букв и цифр имя и расширение файла могут состоять из следующих символов: -, _, $, #, &, @, !, %, (,), {, }, ", ^. Примеры имен файлов в MS DOS: doom.exe, referat.doc.

Так как DOS была создана довольно давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры. В файловой системе используются только короткие имена файлов, плохо поддерживаются разные устройства типа звуковых карт, видео-ускорителей и т.д.

В DOS не реализована мультизадачность, т.е. она не может естественным образом выполнять несколько задач (работающих программ) одновременно. У DOS нет никаких средств контроля и защиты от несанкционированных действий программ и пользователя, что привело к появлению огромного количества так называемых вирусов.

Некоторые компоненты операционной системы DOS: дисковые файлы IO.SYS и MSDOS.SYS (они могут называться и по-другому, например IBMBIO.COM и IBMDOS.COM для PC DOS) помещаются в оперативную память при загрузке и остаются в ней постоянно. Файл IO.SYS представляет собой дополнение к базовой системе ввода-вывода, а MSDOS.SYS реализует основные высокоуровневые услуги операционной системы.

Командный процессор DOS обрабатывает команды, вводимые пользователем. Командный процессор находится в дисковом файле COMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система. Некоторые команды пользователя, например type, dir или copy, командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними или встроенными. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и, если находит ее, загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о готовности к выполнению команд (приглашение DOS).

Внешние команды DOS – это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов. Эти программы выполняют действия обслуживающего характера, например форматирование дискет (format.com), проверку состояния дисков (scandisk.exe) и т. д.

Драйверы устройств – это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода DOS и обеспечивают обслуживание новых или нестандартное использование имеющихся устройств. Например, с помощью драйвера DOS ramdrive.sys возможна работа с « электронным диском», т.е. частью памяти компьютера, с которой можно работать так же, как с диском. Драйверы помещаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле CONFIG.SYS. Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы DOS.

MICROSOFT WINDOWS

Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой. Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек:

– Многозадачность. Есть возможность одновременно запускать несколько программ.

– Единый программный интерфейс. Взаимодействие между программами, написанными для Windows, организовано так, что есть возможность создавать данные в одних программах и переносить их в другие программы.

– Единый интерфейс пользователя. Разобравшись с тем, как работает одна программа, написанная для Windows, нетрудно разобраться с другой. Чем больше программ изучить, тем проще изучение последующей программы.

– Графический интерфейс пользователя. Файлы программ и данных отображаются на экране в виде значков. С файлами работают с помощью мыши.

– Единый аппаратно-программный интерфейс. Среда Windows обеспечивала совместимость разнообразного оборудования и программ. Изготовители оборудования не заботились о том, как « угадать», к какими программами их устройствам предстоит работать, они добивались только работы с Windows, а дальше Windows обеспечивала работу устройств. Точно также изготовители программ могли более не беспокоиться о работе с неизвестным им оборудованием. Их задача свелась к тому, чтобы обеспечить взаимодействие с Windows.

На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера (в том случае, если установлена только одна эта система).

В MS Windows для хранения файлов используется модификация файловой системы FAT – VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов.

В операционной системе Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор мышь. Обычно мышь используется для выделения фрагментов текста или графических объектов, установки и снятия флажков, выбора команд меню, кнопок панелей инструментов, манипулирования элементами управления в диалогах, «прокручивания» документов в окнах.

В Windows активно используется и правая кнопка мыши. Поместив указатель мыши на объекте и сделав щелчок правой кнопкой мыши, можно раскрыть так называемое «контекстное меню», содержащее наиболее употребительные команды, применимые к данному объекту.

Ярлыки обеспечивают доступ к программе или документу из различных мест, не создавая при этом нескольких физических копий файла. На рабочий стол можно поместить не только пиктограммы (значки) приложений и отдельных документов, но и папок. Папки – еще одно название каталогов (directories).

Существенным нововведением в Windows 95 стала Панель задач (Taskbar). Несмотря на небольшие функциональные возможности, она делает наглядным механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями по сравнению с предыдущими версиями Windows. Внешне панель задач представляет полосу, обычно располагающуюся в нижней части экрана, на которой размещены кнопки приложений и кнопка Пуск (Start). В правой ее части обычно присутствуют часы и небольшие пиктограммы программ, активных в данный момент.

Рабочий стол Windows сконструирован так, чтобы максимально облегчить работу пользователя-новичка и в то же время предоставить максимальные возможности его настройки в соответствии с конкретными нуждами опытных пользователей.

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА LINUX

Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows. Все компоненты системы, включая исходные тексты, распространяются с лицензией на свободное копирование и установку для неограниченного числа пользователей.

Разработал эту операционную систему в начале 1990-х студент университета Хельсинки (Финляндия) Линус Торвальд при участии пользователей сети Интернет, сотрудников исследовательских центров, различных фондов и университетов.

Будучи традиционной операционной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя персонального компьютера скорость, эффективность и гибкость Unix, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста.

С экономической точки зрения Linux обладает еще одним весьма существенным достоинством – это бесплатная система. Linux распространяется по генеральной открытой лицензии GNU в рамках фонда свободного программного обеспечения (Free Software Foundation), что делает эту операционную систему доступной для всех желающих. Linux защищена авторским правом и не находится в общедоступном пользовании, однако универсальная общественная лицензия GNU – это почти то же самое, что и передача в общедоступное пользование. Она составлена так, что Linux остается бесплатной и в то же время стандартизированной системой. Существует лишь один официальный вариант ядра Linux.

От Unix операционной системе Linux достались еще две замечательные особенности: она является многопользовательской и многозадачной системой. Многозадачность означает, что система может выполнять несколько задач одновременно. Многопользовательский режим – это режим, при котором в системе могут одновременно работать несколько пользователей, и каждый из них взаимодействует с системой через свой терминал. Еще одним из достоинств этой операционной системы является возможность ее установки совместно с Windows на один компьютер.

С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования. Университеты по всему миру применяют Linux в учебных курсах по программированию и проектированию операционных систем. Linux стал незаменим в широких корпоративных сетях, а также для организации Интернет-узлов и Web-серверов.

Современный Linux предоставляет возможность использовать несколько разновидностей графического интерфейса: KDE (K Desktop Environment), GNOME (GNU Network Model Environment) и другие. В каждой из этих оболочек пользователю предоставляется возможность работы сразу с несколькими рабочими столами (в то время как в MS Windows всегда один рабочий стол, который приходится загромождать окнами).

Компьютер предоставляет различные ресурсы для решения задачи, но чтобы сделать эти ресурсы легко доступными для человека и его программ, нужна операционная система. Она скрывает от пользователя сложные и ненужные подробности и предоставляет ему удобный интерфейс для работы. Операционные системы могут предоставлять и другие возможности: средства защиты информации, хранящейся на дисках компьютера; работа нескольких пользователей на одном компьютере (многопользовательский режим), возможность подключения компьютера к сети, а также объединение вычислительных ресурсов нескольких машин и совместное их использование (кластеризация).

Шацукова Л.З. Информатика . Интернет-учебник.http://www.kbsu.ru/~book

Анна Чугайнова