Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Основные понятия операционных систем персональных компьютеров).pdf

Рисунок 1 Архитектура современных операционных систем ПК

3. Функции отдельных блоков современных ОС персональных компьютеров

В состав операционной системы персонального компьютера входят [9-10]:

- Ядро операционной системы, обеспечивающее распределение и управление ресурсами вычислительной системы;

- базовый набор системного программного обеспечения, системные библиотеки и программы обслуживания.

Ядро системы - это набор функций, структур данных и отдельных программных модулей, которые загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы и обеспечивают три типа системных сервисов [11]:

- управление вводом-выводом информации (подсистема ввода-вывода ядра ОС);

- управление оперативной памятью (подсистема управления оперативной памятью ядра ОС);

- управление процессами (подсистема управления процессами ядра ОС).

Каждая из этих подсистем представлена ​​соответствующими функциями ядра системы.

Ядро - центральная часть операционной системы (ОС), которая обеспечивает приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таких как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро ​​предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов. Как основной элемент ОС, ядро ​​представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимых для их работы. Как правило, ядро ​​предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счет использования механизмов взаимодействия между процессами и обращения приложений к системным вызовам ОС. Основным характерным признаком ядра является то, что оно выполняется в привилегированном режиме.

Рассмотрим особенности этого режима. Для обеспечения эффективного управления ресурсами компьютера ОС должна иметь определенные привилегии по прикладным программам. Необходимо, чтобы приложения не вмешивались в работу ОС, а ОС могла вмешаться в работу любой программы, например, для переключения задачи или разрешения конфликта через ресурсы. Для реализации таких привилегий необходима аппаратная поддержка: процессор должен поддерживать по крайней мере два режима работы - привилегированный (защищенный режим, режим ядра, kernel mode) и режим пользователя (user mode). В режиме пользователя недопустимы команды, которые являются критическими для работы системы (переключение задач, обращение к памяти по заданными пределами, доступ к устройствам ввода-вывода и т.д.).

---

Функции ядра операционной системы могут быть выполнены в результате выполнения в прикладных программах специальных функций - системных вызовов. Назначение системного вызова заключается в том, что приложения не в состоянии самостоятельно определить, по каким адресам находятся функции ядра. Системный вызов в один из машинно-зависимых способов реализует механизм получения адресов функций ядра и передачу в эти функции необходимых параметров системного вызова, а также получения результата системного вызова. Чаще всего системные вызовы обеспечиваются через систему прерываний, благодаря чему адрес функции ядра не только рассчитывается аппаратно (в процессе обработки прерывания), но и обеспечивается защита информационных ресурсов ядра. Системные вызовы чаще всего имеют синтаксис функции языка программирования, на которой написано ядро ​​ОС.

Подсистема управления оперативной памятью. Объем памяти, может изменяться в ходе исполнения, в этом случае говорят о динамическом распределении памяти. ОС должна обеспечивать возможность выполнения программ, которые по отдельности или в совокупности превышают по объему доступную основную память. Для этого в ней должна быть реализована технология виртуальной памяти. Такая технология дает возможность размещать в основной памяти только те инструкции данного процесса, которые нужны в текущий момент времени, при этом содержание остального адресного пространства сохраняется на диске. Любая программа может выполняться только тогда, когда она загружена в оперативную память, так же, любые данные из файлов могут обрабатываться только тогда, когда они загружены в оперативную память. Загрузка программы и данных в оперативную память приводит к тому, что в оперативной памяти одновременно находятся сразу несколько компонентов: ядро ​​операционной системы, командный интерпретатор, программа, которая выполняется, и данные, которые обрабатываются [12].

Кроме того, программа в процессе своего выполнения может обращаться к подсистеме управления оперативной памятью с запросами на выделение дополнительной - динамической - оперативной памяти. В многозадачных операционных системах количество компонентов, которые одновременно могут находиться в оперативной памяти возрастает пропорционально количеству задач и может достигать несколько сотен. Подсистема управления оперативной памятью обеспечивает распределение оперативной памяти между различными компонентами, а также распределяет память под кэш системы ввода-вывода. В отдельных многозадачных операционных системах подсистема управления оперативной памятью также обеспечивает виртуализацию оперативной памяти, благодаря чему каждая задача (процесс) получает собственную виртуальную память, причем таким образом, что недостаток реальной (физической) памяти покрывается за счет перераспределения данных между оперативной памятью и внешним накопителем и перемещением данных между физической оперативной памятью и внешним накопителем. Это перемещение называется пейджингом (англ. paging) или свопингом (англ. swapping - обмен) - в зависимости от терминологии конкретной ОС. Введение механизма виртуализации оперативной памяти позволяет получить два полезных последствия:

---

• каждая задача фактически выполняется в собственном адресном пространстве, то есть таким образом, если бы она выполнялась в однозадачной операционной системе, благодаря чему значительно уменьшается влияние отдельных задач одной на одну и на ядро ​​системы, а благодаря этому - и надежность системы;

• каждая задача получает столько виртуальной оперативной памяти, сколько нужно, а не столько, сколько имеется в физической оперативной памяти. Виртуализация оперативной памяти требует аппаратной поддержки и обычно обеспечивается через специальную таблицу страниц памяти, которая содержит соответствия между виртуальными и физическими адресами.

Подсистема управления задачами (процессами). Процесс - это одно из важнейших понятий информатики. По определению это экземпляр выполняемой программы, включая переменные и состояние программы. Процессы следует отличать от нитей исполнения - нити являются составными процесса, так что каждый процесс имеет собственное адресное пространство, а нити распределяют общее адресное пространство процесса. Процесс состоит по меньшей мере из одной, главной нити исполнения [13].

Каждому процессу должны быть выделены следующие ресурсы:

• процессор

• память

• доступ к устройствам ввода-вывода

• файлы

Каждый процесс имеет «отца» (родительский процесс). Он также может иметь (но не обязан) «потомков» (дочерние процессы). Таким образом создается дерево процессов. Управление процессами осуществляет ядро ​​операционной системы. Во время выполнения процесс может находится в одном из состояний:

• выполнение;

• ожидания на доступ к ресурсам, которые предоставляет операционная система;

• готовности к выполнению;

• создание;

• завершение.

Планирование выполнения задач (англ. Scheduling) является одной из ключевых концепций в многозадачности и многопроцессорных системах, как в операционных системах общего назначения, так и в операционных системах реального времени.

Планирование процессов заключается в назначении приоритетов процессам в очереди с приоритетами. Утилита, которая выполняет эту задачу, называется планировщиком (англ. Scheduler). Важнейшей целью планирования задач является наиболее полная загрузка доступных ресурсов. Для обеспечения общей производительности системы планировщик должен опираться на:

• Использование процессора (-ов) - дать задание процессору, если это возможно.

• Пропускную способность - количество процессов, выполняемых в единицу времени.

---

• Время на задание - количество времени, для полного выполнения определенного процесса.

• Ожидание - количество времени, процесс в очереди готовых.

• Время отклика - время, которое проходит от подачи запроса до первого ответа на запрос.

• Справедливость - равенство процессорного времени для каждой нити.

4. Назначение и функции ОС MS Windows и Linux

На сегодняшний день ОС Windows установлена на более чем 80% компьютеров, для нее написано большое количество различных программ, утилит, игр и т.п. Одними из самых распространенных систем от компании Windows стали Windows 98, Windows 2000, Windows XP, Windows 7 и Windows 10. В них были введены наиболее важные функции и исправления для своего времени, благодаря чему эти системы стали самыми популярными среди, как и обычных пользователей, так и профессионалов.

Последней операционной системой, выпущенной в 2015 году, является Windows 10, призванная объединить все устройства, которые могут на ней работать: персональные компьютеры, планшеты, телефоны, игровые консоли, с помощью единых приложений и авторизации. Также в ней были исправлены ошибки предыдущей версии и учтены пожелания пользователей (например, вернулась панель «Пуск», но в обновленном виде) [14].

Windows 10 стала во многом инновационной операционной системой во всей линейке, в частности, из - за своего распространения по сети с помощью протокола BitTorrent, введенного голосового помощника Кортана, создания и управления несколькими виртуальными рабочими столами и т.д. Новая операционная система была создана во многих редакциях для нужд каждого пользователя.

Компанией Microsoft было создано три основные редакции и множество производных от них [15]. Основными редакциями являются Windows 10 Домашняя, Pro и Корпоративная. Базовой редакцией, которая устанавливается на все компьютеры, поддерживающие Windows 10, является Windows 10 Домашняя. Данная версия направлена на нужны обычных пользователей и может удовлетворить их потребности в запуске различных программ и игр. По требованию к аппаратным характеристикам Домашняя версия почти не отличается от более старших. Более продвинутой версией, в отличии от Домашней, является Windows 10 Pro, предоставляющая пользователям более расширенные функции в плане управления малым или средним бизнесом. Данное направление поддерживается множеством введенных в систему функций, например, магазином приложений Windows Store для бизнеса, доступом к технологии защиты данных BitLocker, возможностью создания удаленного рабочего стола и т.д.

---

Версия Windows 10 Корпоративная является еще более расширенной версией на базе Windows 10 Pro. Данная система предназначена для управления крупными компаниями и корпорациями. В систему введено большое количество функций для данного направления, таких как Direct Access (удаленной подключение к рабочему компьютеру), функция Device Guard (дополнительная защита данных от хакерских атак и взлома), технология Windows To Go (возможность переноса системы Windows 10 на USB - накопитель для дальнейшего продолжения работы на другой рабочей машине) и другие нововведения. − Таким образом, компания Microsoft представила три основные редакции Windows 10, предназначенные для различных задач и пользователей.

Windows 10 Домашняя подойдет для обычных пользователей, задачами которых является ежедневное использование компьютера для запуска различных программ, игр, выхода в сеть Интернет. Windows 10 Pro подождет для тех, кто занимается малым или средним бизнесом. Для таких людей важно ориентирование системы на бизнес, корпоративные функции, гибкая настройка различных параметров и повышенная безопасность системы. Windows 10 Корпоративная подходит для пользователей, управляющих крупными компаниями и предприятиями. Для таких пользователей важно ориентирование системы на бизнес, корпоративные функции, повышенная безопасность, программное обеспечение для удаленного доступа и другие «профессиональные» особенности.

Также стоит отметить производные редакции от основных, в список которых входят [16]: Windows 10 «Домашняя с Bing», Windows 10 S, Windows 10 «Pro для образовательных учреждений», Windows 10 «Pro Для рабочих станций» (Pro for Workstations), Windows 10 «Корпоративная с долгосрочным обслуживанием», Windows 10 «для образовательных учреждений» (Education), Windows 10 Team. Также в состав производных редакций вошли редакции для стран Евросоюза, Южной Кореи и КНР. Данные редакции имеют либо ограниченный функционал по сравнению с основными версиями, либо дополнительные функции для обучения и образовательных учреждений, ведения бизнеса, управления корпорациями и компаниями, версии с более долгим сроком обслуживания и другие.

При рассмотрении развития и функционала операционных систем Windows возникает вопрос: в каком направлении будут развиваться операционные системы в целом и семейство Windows? Многие считали, что после появления Windows 7 технологиям уже некуда развиваться, но Windows 8 доказала обратное, а выход Windows 10 исправил многие ошибки и недочеты прошлой операционной системы, а также добавила много нового.

В будущем развитие пойдет в сторону 3D технологий, облачных технологий, голосового управления компьютером и искусственного интеллекта. Также, нельзя признать тот факт, что персональные компьютеры сейчас меньше используются пользователями в качестве игровых платформ. Для этих целей больше используются игровые консоли, которые сейчас стали наиболее доступными и недорогими. Многие игры выходят сначала только для игровых консолей, и потом для персональных компьютеров, или вообще являются эксклюзивными для консолей.

---