Операционные системы и среды (лекция 1)

1.

Введение
Лекция 1.
Предмет «Операционные системы и среды»
преподаватель: Л.А. Пинигина

2.

План
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Определение ОС
Эволюция ОС
Функции ОС
Основные понятия, концепции ОС.
Классификация ОС
Мониторинг ОС

3.

1. Определение ОС
ОС – набор программ, которые обеспечивают возможность использования
аппаратуры ЭВМ и предоставляют пользователю набор средств по интерфейсу
для управления информацией и реализации прикладного программного
обеспечения.
Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating
system, OS) — комплекс взаимосвязанных
программ, предназначенных для управления
ресурсами компьютера и организации
взаимодействия с пользователем.
В логической структуре типичной вычислительной системы операционная
система занимает положение между устройствами с их
микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными
(встроенными) микропрограммами (драйверами) — с одной стороны —
и прикладными программами с другой.

4.

1. Определение ОС
Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет
абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств,
предоставляя минимально необходимый набор функций (см.: интерфейс
программирования приложений).
В большинстве вычислительных систем операционная система является
основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного
программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными
операционными системами являются системы
семейства Windows, Unix и UNIX-подобные системы.
ОС как виртуальная машина
ОС как система управления ресурсами
Операционная система как защитник пользователей и программ
Операционная система как постоянно функционирующее ядро

5.

1. Определение ОС
ОС как виртуальная машина
ОС предоставляет пользователю виртуальную машину, которую легче программировать и с
которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.
Например, чтобы считать или записать информацию на дискету, надо:
Запустить двигатель вращения дискеты
Управлять шаговым двигателем перемещения головки
Следить за индикатором присутствия дискеты
Выбрать номер блока на диске
Выбрать дорожку
Выбрать номер сектора на дорожке
и.т.д.
Все эти функции берет на себя операционная система.
ОС как система управления ресурсами
Чтобы несколько программ могло работать с одним ресурсом (процессор, память),
необходима система управления ресурсами.
Способы распределения ресурса:
Временной - когда программы используют его по очереди, например, так система управляет
процессором.
Пространственный - программа получает часть ресурса, например, так система управляет
оперативной памятью и жестким диском.

6.

1. Определение ОС
Операционная система как защитник пользователей и программ
Если вычислительная система допускает совместную работу нескольких
пользователей, то возникает проблема организации их безопасной деятельности.
Необходимо обеспечить сохранность информации на диске, чтобы никто не мог
удалить или повредить чужие файлы. Нельзя разрешить программам одних
пользователей 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 такой точки
зрения операционная система выглядит системой безопасности в государстве, 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 называть ее ядром.

7.

Место операционной системы
в структуре программного
обеспечения

8.

Операционная система превращает
уродливое аппаратное обеспечение в
красивые абстракции

9.

1. Определение ОС
Идеальная операционная система
Самые популярные ОС

10.

2.Эволюция ОС
Первый период (1945 -1955)
В середине 40-х были созданы первые ламповые
вычислительные устройства.
Программирование осуществлялось исключительно на
машинном языке.
Операционных систем не было, все задачи организации
вычислительного процесса решались вручную каждым
программистом с пульта управления.
Вычислительная система выполняла одновременно только одну
операцию (ввод-вывод или собственно вычисления).
Существенная часть времени уходила на подготовку запуска
программы, а сами программы выполнялись строго
последовательно.

11.

2.Эволюция ОС
Второй период (1955 - 1965)
С середины 50-х годов начался новый период в развитии
вычислительной техники, связанный с появлением новой технической
базы — полупроводниковых элементов.
Наблюдается бурное развитие алгоритмических языков. Появляются
первые настоящие компиляторы, редакторы связей, библиотеки
математических и служебных подпрограмм. Упрощается процесс
программирования.
Произошло разделение персонала на программистов и операторов,
эксплуатационников и разработчиков вычислительных машин.
Изменяется сам процесс прогона программ. Теперь пользователь
приносит программу с входными данными в виде колоды перфокарт и
указывает необходимые ресурсы. Оператор загружает задание в
память машины и запускает его на исполнение. Полученные
выходные данные печатаются на принтере, и пользователь получает
их обратно через некоторое (довольно продолжительное) время.

12.

2.Эволюция ОС
Второй период (1955 - 1965)
Смена запрошенных ресурсов вызывает приостановку
выполнения программ, в результате процессор часто
простаивает.
Для повышения эффективности использования
компьютера задания с похожими ресурсами начинают
собирать вместе, создавая пакет заданий.
Появились первые системы пакетной обработки,
которые просто автоматизировали запуск одной
программ за другой и тем самым увеличивали
коэффициент загрузки процессора.
Системы пакетной обработки явились прообразом
современных операционных систем.

13.

Система пакетной обработки

14.

2.Эволюция ОС
Третий период (1965 - 1980)
Переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к
интегральным микросхемам.
Создание семейств программно-совместимых машин (серия IBM/360).
Программная совместимость требовала и совместимости операционных
систем (например, OS/360).
Важнейшие достижения ОС:
Мультипрограммирование — способ организации вычислительного
процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются
несколько программ.
Спулинг — способ организации вычислительного процесса, в
соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том
темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а
затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска
загружалось в освободившийся раздел.

15.

2.Эволюция ОС
Четвертый период (1980 - настоящее время)
Появление больших интегральных схем (БИС).
Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что
потребовало разработки «дружественного» программного
обеспечения.
Доминировали две системы:
Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко
использовалась для компьютеров, построенных на базе
микропроцессоров Intel
Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX
доминировала в среде «не-интеловских» компьютеров.
Появился графический интерфейс GUI (Graphical User Interface).

16.

2. История развития ОС
Год
Автор (фирма)
изобретение
Что создано?
1985
Microsoft
Windows 1.0x(20.11.1985)
Windows 11(2.10.2021)
2008
android
Android 1.0(23.09.2008)
Android 13(15.08.2022)
lunix
macOS
2007
Apple
linux
IPhone OS
IOS 16.2(13.12.2022)
Значение
(особенности)
Широкий выбор
устройств,большое
кол-во ПО

17.

3. Функции ОС
Просмотрев этапы развития вычислительных систем, мы можем выделить шесть основных
функций, которые выполняли классические операционные системы в процессе своей
эволюции:
Планирование заданий и использования процессора.
Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.
Управление памятью.
Управление файловой системой.
Управление вводом-выводом.
Обеспечение безопасности
Каждая из приведенных функций обычно реализована в виде подсистемы, являющейся
структурным компонентом ОС. В каждой конкретной операционной системе эти функции,
конечно, реализовывались по-своему, в различном объеме. Они не были придуманы как
составные части деятельности операционных систем изначально, а появились в процессе
развития, по мере того, как вычислительные системы становились удобнее, эффективнее и
безопаснее. Эволюция вычислительных систем, созданных человеком пошла по такому пути,
но никто еще не доказал, что это единственно возможный путь их развития. Операционные
системы существуют потому, что на настоящий момент их существование - это разумный
способ использования вычислительных систем. Рассмотрение общих принципов и
алгоритмов реализации их функций и будет составлять содержание большей части нашего
курса.

18.

4. Функции ОС
Прием от пользователя (или от оператора системы)
заданий, или команд, сформулированных на
соответствующем языке, и их обработка.
Загрузка в оперативную память подлежащих
исполнению программ.
Распределение памяти, а в большинстве современных
систем и организация виртуальной памяти.
Запуск программы (передача ей управления, в результате
чего процессор исполняет программу).
Идентификация всех программ и данных.
Прием и исполнение различных запросов от
выполняющихся приложений.
Обслуживание всех операций ввода-вывода.

19.

3. Функции ОС
Обеспечение работы систем управлений файлами и/или
систем управления базами данных (СУБД).
Обеспечение режима мультипрограммирования, то
есть организация параллельного выполнения двух или
более программ на одном процессоре.
Планирование и диспетчеризация задач.
Организация механизмов обмена сообщениями и
данными между выполняющимися программами.
Защита одной программы от влияния другой.
Аутентификация и авторизация пользователей.
Обеспечение работы систем программирования.
Обеспечение взаимодействия связанных между собой
компьютеров.

20.

4. Основные понятия, концепции ОС
В процессе эволюции возникло несколько важных концепций, которые стали неотъемлемой
частью теории и практики ОС.
Системные вызовы
Системные вызовы (system calls) интерфейс между операционной системой и пользовательской
программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из
которых процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной
системы, осуществляя системный вызов.
Прерывания
Прерывание (hardware interrupt) событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору)
устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный
процессор о том, что возникло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например,
пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода-вывода
(например, закончено чтение данных с диска в основную память).
Процессы
Концепция процесса в ОС одна из наиболее фундаментальных.
Понятие процесса характеризует некоторую совокупность набора исполняющихся команд,
ассоциированных с ним ресурсов (выделенная для исполнения память или адресное пространство,
стеки, используемые файлы и устройства ввода-вывода и т. д.) и текущего момента его выполнения
(значения регистров, программного счетчика, состояние стека и значения переменных),
находящуюся под управлением операционной системы. Не существует взаимно однозначного
соответствия между процессами и программами, обрабатываемыми вычислительными системами.

21.

4. Основные понятия, концепции ОС
Ядро — центральная часть операционной системы, управляющая
выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая
процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами
являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ
к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на
уровне ядра.
Как основополагающий элемент операционной системы, ядро представляет собой
наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам
вычислительной системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро
предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений
за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения
приложений к системным вызовам ОС.

22.

4. Основные понятия, концепции ОС
Оболо́чка операцио́нной систе́мы (от англ. shell «оболочка») Оболочкой ОС называют
надстройку над операционной системой, существенно облегчающую работу пользователя
и предоставляющую ему ряд дополнительных сервисных услуг.
Оболочки операционных систем обеспечивают:
создание, переименование, копирование, пересылку, удаление и быстрый поиск файла в
текущем каталоге диска или на всех дисках компьютера;
просмотр, создание и сравнение каталогов;
просмотр, создание и редактирование текстовых файлов;
архивацию, обновление и разархивацию архивных файлов и просмотр архивов;
синхронизацию каталогов, расщепление и слияние файлов;
поддержку связи двух компьютеров через последовательный или параллельный порты;
форматирование и копирование дискет, смену метки дискеты и метки тома для жестких
дисков, а также чистку дисков от ненужных файлов;
запуск программ.

23.

4. Основные понятия, концепции ОС
Наибольшую популярность среди пользователей получила оболочка Norton Commander
(NC). Этот программный продукт позволяет видеть файлы и каталоги на двух постоянно
отображаемых панелях нескольких типов и удобно манипулировать файлами с помощью
функциональных клавиш и мыши.
Оболочка DOS Navigator полностью копирует исходную идею NC, но имеет
дополнительные функции. Она поддерживает работу с большим количеством
архиваторов, позволяет выделять файлы различных типов цветом, имеет более удобные
средства для межкомпьютерной связи через модем.
Графические оболочки для Windows - Dash Board for Windows, Dash Board for
Windows 95, DeskBar 95 for Windows 95 - позволяют пользователю быстро создавать
меню запуска программ и вызова документов, а также контролировать использование
системных ресурсов.
Оболочки Shez и RAR предназначены для управления сжатием (архивированием) и
распаковкой файлов в среде MS-DOS. Оболочки WinRAR и WinZiр предназначены для
управления сжатием (архивированием) и распаковкой файлов в графической среде.
Оболочки NDOS, Norton Desktop for Windows предназначены для управления
файлами.

24.

5. Классификация ОС

25.

5. Классификация ОС
По количеству пользователей однопользовательская операционная
система может обслуивать только одного пользователя.
Многопользовательская ОС позволяет создавать одноранговую или
иерархическую вычисительную сеть с обслуживанием множества
пользователей. Главным отличием многопользовательских систем от
однопользовательских является наличие средств защиты информации
каждого пользователя от несанкционированного доступа других
пользователей.
ОС пакетной обработки: в них из программ, подлежащих
выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и
выполняемых в порядке очередности с возможным учетом
приоритетности.
ОС с разделения времени обеспечивают одновременный
диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких
пользователей на разных терминалах, которым по очереди
выделяются ресурсы машины, что координируется операционной
системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания.

26.

5. Классификация ОС
Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к
исполнению, выделяется для исполнения фиксированный,
задаваемый в соответствии с приоритетом пользователя интервал
времени (интервал мультиплексирования). Если программа не
выполнена до конца за этот интервал, ее исполнение
принудительно прерывается, и программа переводится в конец
очереди. Из начала очереди извлекается следующая программа,
которая исполняется в течение соответствующего интервала
мультиплексирования, затем поступает в конец очереди и т.д. в
соответствии с циклическим алгоритмом.
ОС реального времени обеспечивают определенное
гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с
управлением им какими-либо внешними по отношению к ЭВМ
событиями, процессами или объектами. При таком режиме ЭВМ
управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и
информацию, непосредственно поступающую от объекта
управления

27.

5. Классификация ОС
Однопроцессорные и многопроцессорные ОС. Другим важным свойством ОС
является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной
обработки – мультипроцессирование, которое приводит к усложнению всех
алгоритмов управления ресурсами. Таким образом, в зависимости от наличия или
отсутствия в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных они делятся
на:
- однопроцессорные (MS-DOS, Windows 3.x, Windows 9х);
- многопроцессорные (OS/2, NetWare 4.1, Windows NT, Windows 2000, Windows XP).
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации
вычислительного процесса в данной системе:
- асимметричные;
- симметричные.
Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров
компьютера, распределяя прикладные задачи (программы) по остальным
процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все
процессоры, распределяя их между системными и прикладными задачами.

28.

5. Классификация ОС
Сетевая операционная система — термин, относящийся к двум различным
концепциям:
специализированная операционная система для сетевого устройства,
подобного маршрутизатору, коммутатору или межсетевому экрану.
операционная система, ориентированная на работу с компьютерной сетью для
организации доступа к общим ресурсам для нескольких компьютеров в сети, что
позволяет давать общий доступ к данным для пользователей, групп, политик
безопасности, приложений и других сетевых функций. Обычно сетевые ОС
работают в локальной сети или в частной сети. Такое толкование в основном
историческое, так как в большинство современных операционных систем входят
такие же функции.
Главными задачами являются разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и
администрирование сети. С помощью сетевых функций системный администратор определяет
разделяемые ресурсы, задаёт пароли, определяет права доступа для каждого пользователя или группы
пользователей. Отсюда деление:
сетевые ОС для серверов;
сетевые ОС для пользователей.
Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (например, Windows
NT) и обычные ОС (например, Windows XP), которым приданы сетевые функции. Сегодня практически
все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.

29.

6. Мониторинг ОС
Мониторинг — система сбора или регистрации, хранения и анализа небольшого количества
ключевых (явных или косвенных) признаков или параметров описания данного объекта для вынесения
суждения о поведении или состоянии данного объекта в целом.
Мониторинг — процесс наблюдения и регистрации данных о каком-либо объекте на неразрывно
примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых значения данных существенно не
изменяются.
Различают Мониторинг параметров и Мониторинг состояния объекта.
Мониторинг параметров — наблюдение за какими-либо параметрами. Результат мониторинга
параметров представляет собой совокупность измеренных значений параметров, получаемых на
неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых значения параметров
существенно не изменяются.
Мониторинг состояния — наблюдение за состоянием объекта для определения и предсказания
момента перехода в предельное состояние.
Результат мониторинга состояния объекта представляет собой совокупность диагнозов
составляющих его субъектов, получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу
интервалах времени, в течение которых состояние объекта существенно не изменяется.
Принципиальным отличием мониторинга состояния от мониторинга параметров является
наличие интерпретатора измеренных параметров в терминах состояния — экспертной
системы поддержки принятия решений о состоянии объекта и дальнейшем управлении.

30.

Семинар
1. Объясните своими словами понимание ОС, как виртуальной
машины, как системы управления ресурсами, как защитника, как
функционирующее ядро (сл.4-8)
2. Какой будет идеальная ОС будущего?
3. Составьте соответствие функций ОС (сл.17) конкретными
задачам которые они решают в ПК
4. Как вы понимаете три концепции ОС, представленных на
слайде 20?
5. Чем отличаются три типа доступа пользователей к системе,
представленных на сл. 24? Опишите своими словами.
6. Классифицируйте ОС Windows 10 по схеме сл.24.