Операционная система

Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

 

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с  их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.

 

Разработчикам программного обеспечения операционных систем 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 Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).

 

Функции операционных систем

 

Основные  функции:

Выполнение  по запросу программ (ввод и вывод  данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

Загрузка  программ в оперативную память и  их выполнение.

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких  как жёсткий диск, оптические диски  и др.), организованным в той или  иной файловой системе.

Обеспечение пользовательского интерфейса.

Сохранение информации об ошибках  системы.

 

Дополнительные функции:

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

Разграничение доступа различных  процессов к ресурсам.

Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

Защита самой системы, а также  пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация).

 

 

Компоненты операционной системы:

 

Загрузчик

Ядро

Командный процессор (интерпретатор)[1]

Драйверы  устройств

Интерфейс

 

Понятие операционной системы

 

Существуют  две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих  оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система.

 

Есть приложения вычислительной техники, для которых  операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении. Многие простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без операционной системы, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске.

 

Операционные  системы нужны, если:

вычислительная  система используется для различных  задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

между программами  и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в  программе не вызывала тотальных  неприятностей;

необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);

оператор  должен иметь возможность так  или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для  этого служат операционные среды — оболочка и наборы утилит — они могут являться частью операционной системы.

 

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

использующие файловые системы (с  универсальным механизмом доступа  к данным),

многопользовательские (с разделением  полномочий),

многозадачные (с разделением времени).

 

Многозадачность и распределение  полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие  оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

системные библиотеки;

оболочка с утилитами.

 

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются  в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

 

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

 

 

Файловые системы и  структуры

 

Постепенная замена носителей с  последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных  дисках).

 

Файловая система — способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

 

Фа́йловая систе́ма (англ. file system) — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п. Файловая система определяет формат содержимого и физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

 

Файловая система связывает  носитель информации с одной стороны  и API для доступа к файлам — с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте, блоке флеш-памяти или другом) он записан. Всё, что знает программа — это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

 

С точки зрения операционной системы (ОС), весь диск представляет собой набор  кластеров (как правило, размером 512 байт и больше)[1]. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы  и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

 

Однако файловая система не обязательно  напрямую связана с физическим носителем  информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

 

 

Классификация файловых систем

 

По предназначению файловые системы  можно классифицировать на нижеследующие категории.

Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к  оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates — в BSD системах.

Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Для оптических носителей — CD и DVD: ISO9660, HFS, UDF и др.

Виртуальные файловые системы: AEFS и  др.

Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS, exFAT.

Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т. н. кластерная файловая система, которая  предназначена для хранения других файловых систем) и др.

 

 

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

• именование файлов;
• программный интерфейс работы с файлами для приложений;
• отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
• организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
• содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

 

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».