Общие сведения об операционных системах

1. Общие сведения об операционных системах

Лекция

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЭВМ

Компьютер - это универсальное устройство, свойства которого можно полностью
видоизменять при помощи заданной программы.
Совокупность программ для компьютера образует программное обеспечение (ПО).
ЭВМ. Программное обеспечение (от англ. software) — это совокупность программных
средств для обеспечения нормальной работы ЭВМ. ПО любой ЭВМ подразделяют на
системное и прикладное (специальное ПО).
ВИДЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПО
Системное ПО
Прикладное ПО
Системное ПО - используется для разработки и
выполнения программных продуктов; предоставления
определенных услуг пользователю. Это ПО необходимое дополнение к техническим средствам
ЭВМ. Используется в основном программистамипрофессионалами.
Прикладное ПО - состоит из уникальных программ и
функциональных пакетов прикладных программ.
Прикладное ПО определяет область применения ЭВМ и
состав решаемых пользователем прикладных задач.

3. Иерархическая структура аппаратного и программного обеспечения компьютера

Конечный пользователь
Программист
Прикладные программы
Утилиты Компиляторы
Компиляторы Редакторы
Интерпретаторы
команд
Разработчик ОС
Операционная система
Машинный язык
Микроархитектура (регистры, ЦП, АЛУ)
Физические устройства (контроллеры, шины, монитор и т.д.)

4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМНОГО ПО

Системное ПО
Операционные
системы
Однозадачные
Сервисные
системы
Инструментальные
средства
Системы диагностики и
ТО
Интерфейсы
Среды программир.
Драйверы
СУБД
Многопользовательские
Утилиты
Системы ИИ
Портативная ОС
Оболочки ОС
АСНИ
Многозадачные

5. Операционные системы

Операционная система (ОС) — это комплекс программ, обеспечивающий управление ЭВМ как
единым целым, осуществляющий взаимодействие ЭВМ с окружающей средой, а именно: с
человеком, прикладными программами, другими системами.
ОС — главная часть системного ПО, она управляется командами.
Операционная система решает 2 главных задачи:
поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой
предоставление пользователю возможности общего управления ЭВМ.
Классификация операционных систем
Операционные системы
Однопользовательские
однозадачные
Однопользовательские
многозадачные
Многопользовательские
многозадачные
Однозадачные ОС выполняют
функцию предоставления пользователю
виртуальной машины, делая более простым и
удобным процесс взаимодействия
пользователя с компьютером.
Однозадачные ОС включают средства
управления периферийными устройствами,
средства управления файлами, средства
общения с пользователем.
Пример: семейство MS DOS Microsoft Disk
Operating System 1981 г. (фирма Microsoft).

6. Операционные системы

Операционная
система (ОС) — это комплекс программ, обеспечивающий управление ЭВМ как
Так
Экран ОС взаимодействие
MS DOS ЭВМ с окружающей средой, а именно: с
единым целым, осуществляющий
обозначается
Это служебная
диск С:
человеком,
прикладными
программами,
другими
системами.
Команда “dir” для просмотра содержимого каталога
информация об
ОС — главная часть системного ПО, она управляется командами.
операционной системе
Имя
папки
Операционная система решает 2 главных задачи:
DOS,
<DIR>
поддержка
работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой
предоставление пользователю возможности общего управления ЭВМ.
обозначает,
что это папка
Классификация операционных систем
Операционные системы
Файлы,
которые
Однопользовательские
содержаться в
однозадачные
каталоге
DOS
Однопользовательские
многозадачные
Многопользовательские
многозадачные
Однозадачные ОС выполняют
функцию предоставления пользователю
виртуальной машины, делая более простым и
удобным процесс взаимодействия
пользователя с компьютером.
Однозадачные ОС включают средства
управления периферийными устройствами,
средства управления файлами, средства
общения с пользователем.
Пример: семейство MS DOS Microsoft Disk
Operating System 1981 г. (фирма Microsoft).

7. Операционные системы

Операционная система (ОС) — это комплекс программ, обеспечивающий управление ЭВМ как
единым целым, осуществляющий взаимодействие ЭВМ с окружающей средой, а именно: с
человеком, прикладными программами, другими системами.
ОС — главная часть системного ПО, она управляется командами.
Операционная система решает 2 главных задачи:
поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой
предоставление пользователю возможности общего управления ЭВМ.
Классификация операционных систем
Операционные системы
Однопользовательские
однозадачные
Многозадачные ОС управляют
разделением совместно используемых ресурсов,
таких как процессор, оперативная память, файлы и
внешние устройства. Пример: Windows, Unix.
Многопользовательская ОС
Однопользовательские
многозадачные
Многопользовательские
многозадачные
дополнительно включает средства защиты
информации каждого пользователя от
несанкционированного доступа других
пользователей.
Не всякая многозадачная ОС является
многопользовательской, и не всякая
однопользовательская ОС является однозадачной.

8. Операционные системы

Операционная система (ОС) — это комплекс программ, обеспечивающий управление ЭВМ как
Экран
ОС Windows
единым целым,
осуществляющий
взаимодействие ЭВМ с окружающей средой, а именно: с
человеком, прикладными программами, другими системами.
ОС — главная часть системного ПО, она управляется командами.
Операционная система решает 2 главных задачи:
поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой
предоставление пользователю возможности общего управления ЭВМ.
Классификация операционных систем
Операционные системы
Экран ОС Unix
Однопользовательские
однозадачные
Однопользовательские
многозадачные
Многопользовательские
многозадачные
Многозадачные ОС управляют
разделением совместно используемых ресурсов,
таких как процессор, оперативная память, файлы и
внешние устройства. Пример: Windows, Unix.
Многопользовательская ОС
дополнительно включает средства защиты
информации каждого пользователя от
несанкционированного доступа других
пользователей.
Не всякая многозадачная ОС является
многопользовательской, и не всякая
однопользовательская ОС является однозадачной.

9. Функции операционной системы

управление данными
диалог с пользователем
распределение ресурсов
запуск программ
поддержка программ
передача данных
вспомогательные операции
ОС образует автономную среду, не связанную ни с одним
языком программирования;
ОС работает на конкретной аппаратной платформе, например
IBM PC или Apple, однако для одной и той же платформы может
существовать несколько ОС;
ОС управляет работой конкретных прикладных программ,
называемых приложениями.
Каждая ОС имеет свой командный язык.
Операционная система состоит из ядра операционной системы и вспомогательных модулей.
Программы ядра выполняют базовые функции операционной системы: управление процессами,
памятью, устройствами ввода-вывода. Эти функции наиболее часто используются, и скорость их
выполнения определяет производительность системы в целом. Поэтому функции ядра постоянно
находятся в оперативной памяти компьютера.
Вспомогательные модули операционной системы включают программы, решающие отдельные
задачи управления и сопровождения системы, редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики,
библиотеки процедур для упрощения разработки приложений.

10. Эволюция операционных систем

Пятое поколение
Распределенные,
многопроцессорные,
многомашинные, сетевые ОС
2015
Windows 10
2012
Windows 8
2007
Windows Vista, Windows 7
2005
Windows 2003, 64-разрядная
Четвертое поколение
Многопроцессорные,
многомашинные, сетевые ОС
2000
Windows 2000
1995
Windows 95, Корпоративные информационные системы,
NetWare 4.0 - 93, Windows NT 3.1 – 93, Linux 0.01 – 1993
Третье поколение
Многомашинные, сетевые ОС
Второе поколение
Многопрограммные ОС
Первое поколение
Однопрограммные ОС
1985
OS-Net (Novell) - 83, MS-Net - 84, Windows 1.0-85
1980
Сети ЭВМ, UNIX, TCP/IP, Локальные сети
1970
Динамическое распределение основной памяти, разделение
времени, многотерминальные системы, UNIX (PDP-7)
1960
Системы прерываний, контрольные точки, управление
файлами, таймеры
Нулевое поколение
Отсутствие ОС
1950
Диагностические программы, ассемблеры, макрокоманды,
библиотеки подпрограмм
1946
Первый компьютер

11.

Популярные операционные системы
Android - 44,17%
Windows - 28,96%
iOS - 17,46%
Источник: http://gs.statcounter.com/os-market-share
По данным сайта
StatCounter с июня 2021
года по июнь 2022 года
использовали следующие
операционные системы:
1. Android - 44,17%
2. Windows - 28,96%
3. iOS - 17,46%
4. MacOS - 5,56%
5. Неизвестные - 1,92%
6. Linux - 0,92%
MacOS - 5,56%
StatCounter — ирландский веб-сайт, который представляет собой инструмент для анализа веб-трафика.
На сайте ежемесячно публикуется рейтинг операционных систем, который строится по данным о количестве персональных компьютеров,
подключенных к глобальной сети Интернет и использующих ту или иную операционную систему. Эта информация позволяет отслеживать изменение
популярности систем, а также выявлять тенденции их дальнейшего развития.
Как следует из последнего отчета доминирующее распространение во всем мире получила ОС Android

12. Данные статистики ОС с сайта StatCounter 

Данные статистики ОС с сайта StatCounter
• Android основана на ядре Linux
• Таким образом, в общей сложности на ядре Linux используется 45,09% ОС
iOS и MacOS относятся к Unix-подобным операционным системам. На
последние приходится 68,11% ОС
• Если смотреть данные только для настольных компьютеров, то получим
следующую картину:
1. Windows - 76.31%
2. MacOS - 14.66%
3. Неизвестные - 4.88%
4. Linux - 2.43%
5. Chrome OS - 1.72%
6. FreeBSD - 0.01%
Chrome OS базируется на ядре Linux
• FreeBSD — свободная операционная система семейства UNIX

13. Архитектура Windows. Концепция ядра

Для предотвращения доступа приложений к критически важным данным ОС и устранения риска их
модификации Windows использует два режима доступа к центральному процессору (CPU): пользовательский
режим (user mode) и режим ядра (kernel mode). Приложения работают в пользовательском режиме, тогда
как ОС (например, системные сервисы и драйверы устройств) — в режиме ядра, в котором предоставляется
доступ ко всей системной памяти и разрешается выполнять любые машинные команды CPU.
Процессы
поддержки
системы
Процессы
сервисов
Пользовательские
приложения
DLL подсистема
Исполнительная система
ЯДРО
Драйверы устройств
Уровень абстрагирования от оборудования
Аппаратное обеспечение
Основная часть кода
Подсистемы
Windows выполняется в
режиме ядра, поэтому
окружения
компоненты,
работающие в этом
режиме, должны быть
Пользовательский тщательно продуманы
режим
и протестированы.
Надо быть осторожным
Режим ядра
при загрузке драйвера
Поддержка окон
от стороннего
и графики
поставщика: перейдя в
режим ядра, он
получит полный доступ
ко всем данным ОС и
может повредить их..

14. Особенности аппаратных платформ

Специфика аппаратных средств отражается на специфике операционных систем.
По типу аппаратуры различают операционные системы :
персональных компьютеров,
мини-компьютеров,
мейнфреймов,
кластеров
сетей ЭВМ.
Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные
варианты, так и многопроцессорные.
Мультипроцессорная обработка представляет собой способ обработки
вычислительного процесса в системах с несколькими процесорами, при котором
несколько задач могут одновременно выполняться на разных процессорах.
Драйверы
Для управления внешними устройствами компьютера используются драйверы,
представляющие собой специальные системные программы. Драйверы стандартных
устройств образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода.

15. Сервисные системы

Сервисные системы расширяют возможности операционных систем, предоставляя
пользователю дополнительный набор услуг.
По функциональному назначению сервисные системы делятся на 3 типа:
1. Оболочки ОС
2. Утилиты ОС
3. Интерфейсные системы
По режиму использования различают :
1) Резидентные - постоянно находятся в ОЗУ и активизируются по мере
необходимости. При этом затрачивается минимальное время на активизацию
программы.
2) Нерезидентные - находятся на дискетах или винчестере и вызываются по мере
необходимости. После использования таких программ пользователь продолжает
взаимодействие с ОС.

16.

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ
ПРОГРАММЫ
ОБОЛОЧКА
ОС
• Оболочки ОС - облегчают взаимодействие пользователя с ОС за счет
разветвленного меню и использования функциональных клавиш.
Оболочки освобождают пользователя от детального знания
командного языка ОС, обеспечивают работу с файлами, папками и
дисками.
ПЭВМ
ПОЛЬЗОВАТЕЛИ
ПРОГРАММЫ
УТИЛИТЫ
ОС
ПЭВМ
ПОЛЬЗОВАТЕЛИ
ПРОГРАММЫ
ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СИСТЕМЫ
ОС
ПЭВМ
• Утилиты - это дополнительные обслуживающие программы,
предоставляющие сервисные услуги пользователю. Взаимодействие
пользователя с ОС может осуществляться как посредством утилиты, так и
непосредственно. Утилиты обеспечивают обслуживание дисков
(форматирование, восстановление испорченной информации, устранение
фрагментации файлов); обслуживание файлов и каталогов - аналогично
оболочкам; создание и обновление архивов; предоставление
пользователю информации о ПЭВМ, ее ресурсах, распределение ОЗУ,
карты памяти и магнитных дисков; шифрование доступа к информации.
Примеры: антивирусное ПО, архиваторы, средства диагностики и т.д.
• Интерфейсные системы - это системы графического типа,
модифицирующие как взаимодействие пользователя с ОС, так и
взаимодействие программы с ОС. Яркий пример – Windows.

17. Файловая система

ОС предоставляет пользователю упрощенную модель для работы с данными.
Файловая система - это функциональная часть ОС, обеспечивающая хранение данных на дисках и доступ к
ним. Файлом называют последовательность произвольного числа байтов, которая обладает уникальным
собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. Тип данных
определяет тип файла. Все файлы расположены в папках (каталогах).
Для ОС имя файла не имеет никакого значения, а важно, к какой области диска происходит обращение.
Принцип организации файловой системы в семействах операционных систем Windows — табличный.
Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера
поверхности, цилиндра и сектора. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в
системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах).
В настоящее время наиболее распространены 2 файловые системы:
FAT - File Allocation Table,
NTFS - High Performance File System
Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана фирмой Microsoft в 1977 году для ОС MS DOS.
Эта файловая система была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мбайт и не
предусматривала поддержки жестких дисков. В настоящее время FAT поддерживает файлы и разделы до 2
Гбайт.
Файловая система NTFS (New Technology File System) разрабатывалась специально для ОС Windows NT. В ней
значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено
большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов.

18. Логический формат жесткого диска

Логическое дисковое пространство любого диска делится на 2 области:
системную область,
область данных.
BR
RSec ... FAT .....
системная область
RDir
Системная область - создается и
инициализируется при
форматировании. В дальнейшем
она обновляется при любых
изменениях файловой структуры.
КАТАЛОГИ и ФАЙЛЫ
область данных
Область данных - содержит
файлы и каталоги,
подчиненные корневому.
Она доступна пользователю.
• Состав системной области
1) BR (Boot Record) - загрузочная запись
2) RSec - (Reserved Sector) - зарезервированные сектора
3) FAT (File Allocation Table) - таблица размещения файлов
4) RDir (Root Directory) - корневой каталог.

19.

Логический формат жесткого диска
BR (Boot Record) - загрузочная запись
• BR - находится в секторе с физическим адресом < 0/0/1 > . Сектор, содержащий BR, называется стартовым.
BR содержит:
блок параметров диска (DRB - Disk Parametr Block)
системный загрузчик (SB - System Bootstrap).
• За BR могут располагаться несколько зарезервированных секторов.
FAT (File Allocation Table) - таблица размещения файлов
• Важнейшая информационная структура, лежащая в основе работы ОС (появилась более 20 лет назад).
Для регистрации размещения файла на диске файловая система заносит одну или несколько записей в
хранящуюся на том же диске структуру данных, называемую таблицей размещения файлов (FAT).
• Файл состоит из физических записей - блоков (кластеров). Блок (кластер) - наименьшая единица данных,
которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Кластер представляет собой группу
из одного или нескольких последовательных секторов на диске.
• Для разделов жесткого диска, имеющих емкость более 16 Мбайт, обычно используется 4, 8, 16, 32 или 64
сектора на кластер.
• Логическое разбиение области данных на кластеры имеет следующий смысл:
уменьшается возможность фрагментации файлов,
уменьшается размер FAT, а следовательно, размер системной области диска,
ускоряется доступ к файлу

20.

Логический формат жесткого диска
FAT (File Allocation Table) - таблица размещения файлов
• FAT - это карта области данных, в которой описывается состояние каждого кластера и связываются в
цепочку кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу).
• FAT содержит по одной записи на каждый кластер на диске. В каждой из относящихся к файлу записей
таблицы FAT хранится адрес следующего кластера в цепочке выделенных на диске участков, так что если
известен номер начального кластера, то файловая система может считать весь файл независимо от того,
где именно на диске расположены все остальные кластеры.
• Номер первого кластера записывается отдельно в 32-байтовой записи каталога вместе с именем файла и
другой информацией .
• В случае удаления файла все занятые им элементы FAT обнуляются. Тем не менее, если файл не был
фрагментирован, то имеются шансы восстановить его, так как номер первого кластера файла сохраняется
в элементе каталога.
• Размер кластера зависит от емкости устройства:
Емкость устройства
Размер кластера
• Увеличение размеров кластера приводит к
неэффективному использованию дискового
пространства.
512 Кбайт – 1 Гбайт
16 Кбайт
1 – 2 Гбайт
32 Кбайт
2 - 4 Гбайт
64 Кбайт

21.

Логический формат жесткого диска
FAT (File Allocation Table) - таблица размещения файлов
Неиспользуемое пространство между концом файла и концом кластера, в котором расположена
последняя часть файла, называется остаточной избыточностью кластера (cluster overhang). Чем больше
суммарная остаточная избыточность всех файлов, тем больше размер непроизводительно
расходуемого пространства в накопителе. В сpеднем можно считать, что каждый файл занимает свой
последний кластеp пpимеpно наполовину.
Пpи наличии на диске большого количества
Размер раздела Размер кластера
Средние
на диске
(байт)
потери на файл файлов малого pазмеpа пpоцент потеpь
увеличивается.
(байт)
Так как FAT постоянно используется при
до 512 Мбайт
8192
4096
работе с диском, то она загружается в ОЗУ и
до 1 Гбайт
16384
8192
остается там в течении всего сеанса работы
до 2 Гбайт
32768
16384
ПЭВМ. В связи с чрезвычайной важностью FAT,
она обычно хранится в 2-х экземплярах,
NTFS (Windows NT)
512
256
расположенных последовательно друг за
- любой размер
другом.
Обе копии FAT обновляются одновременно. Первый экземпляр - рабочий. Но если он по каким-то
причинам разрушается, то идет обращение ко 2-ому экземпляру.

22. RDir (Root Directory) - корневой каталог.

RDir - корень древовидной файловой структуры логического диска и не может быть удален никакими
средствами. Память под RDir выделяется статически, поэтому число файлов и каталогов в нем
ограниченно. Некорневые каталоги размещаются в области данных, память под них выделяется
динамически , поэтому на количество файлов в некорневом каталоге ограничений нет.
FAT32
(Windows 95 OEM service Release 2).
Попытка отказаться от ограничений классической FAT и видоизменить ее была предпринята фирмой
Microsoft в версии Windows 95 OEM service Release 2 (v.4.00.1111&DOS 7.1 - также 950b). В этом
варианте Windows 95 FAT стала 32-х разрядной. Из 32 бит 4 были зарезервированы. Таким образом,
максимальный размер раздела в этом варианте стал 2 Tb (2048 Gb), а раздел в 8 Gb получает кластер
размером всего 4 Kb.
Корневая директория диска не имеет фиксированного размера, что снимает ограничения на
количество файлов и директорий в корневом каталоге.

23. Фрагментация жестких дисков

По мере того как создаются или удаляются файлы содержимое жесткого диска меняется. FAT всегда
старается добавить новые файлы в конец списка. Таким образом на пустом диске они записываются
последовательно друг за другом .
Рис.1 Фрагментация на диске отсутствует.
Корень
Файл 1 Файл 2 Файл 3
Пусто
Предположим, что затем второй файл удалили. При записи 4-го файла, даже если его размер такой же
как и файла 2, FAT разместит его в конце списка.
Рис.2 Фрагментация возникает после удаления файла.
Корень
Файл 1
Пусто
Файл 3
Файл 4
Пусто
С течением времени диск заполняется новыми файлами, при этом часть старых стирается.
Рис.3 Заполнение диска.
Корень
Файл 1 Пусто
Файл 3 Файл 4 Файл 5 Пусто
Файл 7 Пусто
Если размеры нового файла, который мы хотели бы записать на диск , велики и он не умещается на
свободном пространстве в конце диска, то FAT пытается найти любое доступное на диске место, начиная с
начала. В результате будут заполнены все пустые места диска.
Рис.4 Создание фрагментированного файла 8 (а-б-в).
Корень
Файл 1 Файл 8 Файл 3 Файл 4 Файл 5
а
Файл 8
б
Файл
7
Файл 8
в

24.

Фрагментация жестких дисков
При большой фрагментации файлов (длительное использование диска)
быстродействие считывания/записи существенно снижается из-за затрат времени
на перемещение головок по фрагментам файла.
В файловой системе NTFS используется более эффективный алгоритм выделения
пространства на жестком диске за счет анализа размеров пустых фрагментов диска
и записи нового файла в наибольший участок.

25. Файловая система NTFS

Наименьшей единицей работы файловой системы NTFS, так же, как и в FAT, является кластер, но в
отличие от FAT файловая система NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров, стандартом
считается кластер размером 4 Кбайт.
Диск в файловой системе NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под главную
файловую таблицу MFT (Master File Table), представляющую собой пространство, в котором хранятся
метафайлы главной файловой таблицы. Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT всегда
держится пустой, это делается для того, чтобы главный служебный файл не фрагментировался при своем
росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
Свободное место диска включает в себя все свободное пространство, при этом учитывается и свободное
место в главной файловой таблице. MFT используется следующим образом: если основного пространства
для записи файлов недостаточно, то MFT сокращается, таким образом, освобождается место для записи
файлов. Если место в основной области для хранения файлов освобождается, то MFT вновь расширяется.
Устройство самого файла в NTFS также имеет некоторые особенности. Вся информация в файле
представлена в форме потоков. Первый поток служит для хранения непосредственно данных файла,
остальные потоки файла содержат его атрибуты. Такая структура файла позволяет свободно прикрепить к
файлу дополнительную информацию, например, имя автора файла или его содержание.