Системное ПО. Операционная система.
Системное программное обеспечение — это комплекс программ, которые обеспечивают эффективное управление компонентами компьютера.
Назначение системного ПО:
- «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой — приложения пользователя;
- обеспечение надежной и эффективной работы ПК вычислительных сетей;
- проведение диагностики и профилактики аппаратуры ПК вычислительных сетей.
Системное программное обеспечение, в свою очередь, можно разделить на две части:
- базовое ПО,
- сервисные программы (утилиты).
В состав базового ПО входят операционные системы, сетевые программные средства, а также драйверы устройств. Без базового программного обеспечения работа компьютера и компьютерных сетей в принципе невозможна.
Сервисные программы (утилиты) — это вспомогательные компьютерные программы, расширяющие возможности операционной системы. К ним относятся файловые менеджеры, архиваторы, антивирусные программы, средства диагностики системы и некоторые другие.
1. Операционная система (Оperating system, OS) - — это комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые обеспечивают работу ПК.
Команды, которые может выполнять процессор, представляют собой числовые коды. Чтобы он выполнил программу, нужно эту программу загрузить в память и передать процессору адрес первой команды. В принципе это можно делать вручную, с помощью переключателей (1/0) или перфокарт, как и было на первых компьютерах. Однако в этом случае ввод программы будет занимать значительно больше времени, чем её выполнение, поэтому процессор будет простаивать. Кроме того, для ввода и вывода данных нужно программировать внешние устройства, каждое из которых имеет собственный набор команд. В таких условиях с компьютером могут работать только специально подготовленные программисты, и эта работа очень трудоёмкая. Ситуация ещё более усложняется, если требуется записать данные на жёсткий диск или обеспечить одновременную работу нескольких программ.
Для решения всех этих проблем программисты разработали вспомогательные программы (точнее, программные системы, состоящие из многих программ), которые называются операционными системами.
Классификация ОС:
- По способу организации вычислений:
- системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
- системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
- системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.
- По типу ядра:
- системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
- системы с микроядром (microkernel operating systems);
- системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).
- По количеству одновременно решаемых задач:
- однозадачные (single-tasking operating systems);
- многозадачные (multitasking operating systems).
- По количеству одновременно работающих пользователей:
- однопользовательские (single-user operating systems);
- многопользовательские (multi-user operating systems).
- По количеству поддерживаемых процессоров:
- однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
- многопроцессорные (multiprocessor operating systems).
- По поддержке сети:
- локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
- сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями
- По роли в сетевом взаимодействии:
- серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
- клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.
- По типу лицензии:
- открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
- проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.
- По области применения:
- операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
- операционные системы серверов (server operating systems);
- операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
- операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
- встроенные операционные системы (embedded operating systems);
- операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).
Основные функции ОС:
- Управление устройствами. Управление работой всех основных и периферийных устройств ПК.
- Управление данными. Обеспечение доступа и эффективной работы с файлами.
- Управление процессами. Запуск и завершение работы программ, обработка ошибок, обеспечение параллельной работы нескольких программ на одном компьютере.
- Управление памятью. Планирование и управление использованием оперативной памяти.
Дополнительные функции ОС:
- Обеспечение пользовательского интерфейса.
- Защита ресурсов ПК и сохранение информации об ошибках системы.
- Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
- Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
- Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.
- Ведение статистики.
Компоненты ОС:
- начальный загрузчик — небольшая программа, расположенная в самом первом секторе загрузочного диска; его задача — организовать загрузку в память ядра (основной части) ОС и передать ему управление;
- Управление процессами. Процесс – это программа пользователя в ходе ее выполнения в компьютерной системе. ОС управляет работой процессов, их распределением по процессорам и ядрам системы, порядком их выполнения и размещения в памяти, их синхронизацией при параллельном решении частей одной и той же задачи разными процессами.
- системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
- Командный процессор — программа, которая выполняет команды пользователя, введенные в командной строке, и командные файлы — текстовые файлы, содержащие списки команд и даже программы на специальном языке программирования;
- Система поддержки командного интерпретатора. Любая операционная система поддерживает командный язык (или набор командных языков), состоящих из пользовательских команд, выполняемых с пользовательского терминала (из пользовательской консоли). Типичные команды – это получение информации об окружении, установка и смена текущей рабочей директории, пересылка файлов, компиляция и выполнение программ, получение информации о состоянии системы и выполнении своих процессов и др. В системе Windows для выполнения команд по традиции используется окно пользовательской консоли MS DOS (MSDOS Prompt), в системе Linux – специальное окно "Терминал" (Start/SystemTools/Terminal).
-
Управление основной памятью. Основная (оперативная) память может рассматриваться как большой массив. Операционная система распределяет ресурсы памяти между процессами, выделяет память по запросу, освобождает ее при явном запросе или по окончании процесса, хранит списки занятой и свободной памяти в системе.
-
Управление внешней памятью. Внешняя (вторичная) память – это расширение оперативной памяти процессора более медленными, но более емкими и постоянно хранящими информацию видами памяти (диски, ленты и др.). При управлении внешней памятью ОС решает задачи, аналогичные задачам управления основной памятью, - выделение памяти по запросу, освобождение памяти, хранение списков свободной и занятой памяти и др. ОС поддерживает также использование ассоциативной памяти (кэш-памяти) для оптимизации обращения ко внешней памяти.
-
Управление системой ввода-вывода. В компьютерной системе имеется большое число внешних устройств (принтеры, сканеры, устройства управления компакт-дисками и др.), управляемых специальными контроллерами (спецпроцессорами) и драйверами – низкоуровневыми программами управления устройствами, выполняемыми в привилегированном режиме. ОС управляет всеми этими аппаратными и программными компонентами, обеспечивая надежность работы внешних устройств, эффективность их использования, диагностику и реконфигурацию в случае их сбоев и отказов. Для этого ОС хранит и использует таблицу состояния устройств
-
Пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой:
- текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
- графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).
Начальная загрузка ПК:
- Включение ПК.
- Поиск и считывание BIOS в ОЗУ из ПЗУ.
- Тестирование и настройка устройств ПК.
- Поиск программы Маstег Вооt (загрузчика ОС) и считывание ее в ОЗУ.
- Загрузка в ОЗУ ядра ОС.
- Загрузка графического интерфейса.
Включение компьютера и загрузка операционной системы
Чтобы понять порядок загрузки компьютера и операционной системы, рассмотрим подробнее, что такое BIOS. В компьютере существует особый тип системной памяти: ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, в которой хранится программа BIOS — базовая система ввода/вывода. Назначение этого небольшого (256 Кб) программного кода — поиск, тестирование и установка некоторых параметров устройств компьютера. После включения компьютера или перезагрузки операционной системы счетчик команд процессора устанавливается на начальный адрес ПЗУ и стартует выполнение программы BIOS. Таким образом, на первоначальном этапе ищется и тестируется установленное оборудование. Прежде всего начинает выполняться программа тестирования POST (Power-On Self Test), которая проверяет работоспособность основных устройств компьютера: процессора, видеоадаптера, оперативной памяти, дисководов, контроллеров жестких дисков и клавиатуры. Современные компьютеры в основном используют внешние устройства «plug and play» («включи и работай»), которые способны сообщить процессору свои основные характеристики и условия работы, что и происходит во время работы BIOS.
BIOS Setup. Пользователь может установить новые параметры конфигурации компьютера и запомнить их в специальной микросхеме памяти, которая при выключенном компьютере питается от батарейки, установленной на системной плате. Для этого в процессе выполнения самотестирования обычно необходимо нажать клавишу Delete или клавишу F8. Загрузится системная утилита BIOS Setup, имеющая интерфейс в виде системы иерархических меню. В случае выхода из строя батарейки конфигурационные параметры теряются, и компьютер перестает нормально загружаться.
В случае обнаружения неисправностей выдаются диагностические сообщения в виде различных последовательностей коротких и длинных звуковых сигналов (например, 1 длинный и 3 коротких сигнала — не подключен монитор, 5 коротких — ошибка процессора и т. д.) или в виде текстовых сообщений. После успешной инициализации видеоплаты краткие диагностические сообщения выводятся на экран монитора.
Если все оборудование функционирует нормально, происходит переход к следующему этапу — поиску главной загрузочной записи (MBR — Master Boot Record). Она может находиться на жестком диске, на компакт-диске, на устройстве флеш-памяти или быть получена с помощью сетевой платы. Компьютер опрашивает перечисленные устройства по очереди в том порядке, в котором это указано в параметрах BIOS. Эти параметры можно менять с помощью программы SETUP, вызов которой осуществляется в первые несколько секунд загрузки компьютера.
Главная загрузочная запись содержит таблицу разделов (Partition Table), в которой хранится информация обо всех разделах, определенных на диске. Кроме таблицы разделов диска MBR содержит небольшой объем исполняемого кода. Исполняемый код читает таблицу разделов, определяет системный раздел (раздел, где установлена ОС), находит его начало и загружает в память загрузочный сектор раздела (Partition Boot Sector), после чего и начинается непосредственная загрузка самой операционной системы. Главная загрузочная запись не зависит от операционной системы. Что касается загрузочного сектора раздела, то он зависит как от операционной системы, так и от применяемой на данном томе файловой системы.
После проведения самотестирования специальная программа, содержащаяся в BIOS, начинает поиск загрузчика операционной системы. Современные версии BIOS позволяют загружать операционную систему не только с магнитных и оптических дисков, но и с USB флэш-дисков.
Если диск системный и программа-загрузчик оказывается на месте, то она загружается в оперативную память и ей передается управление работой компьютера. Программа ищет файлы операционной системы на системном диске и загружает их в оперативную память в качестве программных модулей.
Если системные диски в компьютере отсутствуют, на экране монитора появляется сообщение "Non system disk", и компьютер «зависает», т. е. загрузка операционной системы прекращается и компьютер остается неработоспособным.
Возможна ситуация, когда на компьютере установлено несколько операционных систем, т. е. существует несколько системных разделов. В этом случае пользователю будет предложено выбрать нужную ОС для загрузки из списка. В противном случае будет загружаться операционная система, заданная по умолчанию.
Может ли компьютер работать без операционной системы? Да, в том случае, если он работает по одной-единственной программе, которая хранится в ПЗУ или на диске, и автоматически запускается при включении питания. Например, микрокомпьютеры, встроенные в бытовые устройства, могут обходиться без операционной системы. Однако такой компьютер очень сложно программировать (нужно обращаться напрямую к аппаратуре) и невозможно настраивать, поэтому во многих более сложных устройствах (игровых приставках, банковских терминалах и т.д.) используют операционные системы.
Статистика использования ОС (декабрь, 2016 г.): Современные операционные системы
|
|
Win |
Win |
Win |
Vista |
NT* |
Win XP |
Linux |
Mac OS |
Mobile |
|
В мире |
30.9 |
11.1 |
34.6 |
0.2 |
0.0 |
1.0 |
5.6 |
9.8 |
6.4 |
| В России | 24.36 | 6.9 | 48.34 | 2.68 | 0,0 | 9,07 | 2,21 | 0,9 | 5,54 |