Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров. Характеристика ОС..pdf

Рисунок 3 – Классификация ОС

ОС различаются по следующим особенностям:

- Параллельное и псевдопараллельное управление задачами (многозадачное управление);

- Межпроцессное взаимодействие: обмен данными, синхронизация;

- Системное оборудование;

- Использование информации и программ;

- Защита прав пользователей и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Структура типовой ОС [4] показана на рис. 4

Прикладное ПО

Интерфейс системных вызовов

Система в/в

Драйверы

Аппаратное обеспечение

Файловая система

Управление сеансом

Управление процессами

Рисунок 4 – Структура ОС.

1.2. Популярные ОС для ПК

Для персональных компьютеров доступны три типа операционных систем: операционные системы Microsoft Windows, GNU/Linux и macOS (включая Macintosh) [2, 9].

Ведущей операционной системой является Microsoft Windows, которую используют 88% от общего числа пользователей (https://ru.wikipedia.org/wiki/Windows) [7]. На втором месте производственная macOS (13,23%) [7], а Linux во всех версиях вместе взятых использует 1,57% [7].

Рисунок 5 – Логотип Windows

Microsoft Windows — это семейство проприетарных операционных систем Microsoft Corporation, в первую очередь предназначенных для компьютеров на базе архитектуры Intel, рис. 6 [10]. По оценкам, удобство работы с компьютерами, подключенными к Интернету, составляет 88,9% [7]. Последняя версия - Windows 10. Первый выпуск Microsoft Windows был в 1985 году. Windows 95 была выпущена в 1995 году с использованием только MS-DOS в качестве начальной загрузки [7].

После своего появления Microsoft Windows обогнала операционную систему MacOS, представленную в 1984 году, и заняла более 90% мирового компьютерного рынка. В данное время Windows по-прежнему остается самой популярной операционной системой на ПК. Однако в 2014 году Microsoft признала, что из-за значительного увеличения продаж смартфонов Android она потеряла большую часть всего рынка операционных систем. В 2014 году количество проданных устройств Windows составило менее 25% от продаж устройств Android. Однако, поскольку две операционные системы обычно ориентированы на разные платформы, это сравнение может быть не совсем актуальным. Так же, данные по серверам Windows показывают, что доля рынка соответствует трети конечных пользователей.

Необходимо показать разнообразие вариантов операционной системы Windows, исходя из направленности на различные сегменты рынка.

Microsoft, разработчик Windows, зарегистрировала ряд товарных знаков, каждый из которых представляет семейство операционной системы Windows для определенной области компьютерной индустрии. По состоянию на 2014 год активно разрабатывались следующие серии Windows:

Windows NT: появилась как семейство операционных систем Windows NT 3.1, которые представляют собой операционные системы для серверов и рабочих станций. В настоящее время, эта семейство состоит из трех подсемейств операционной системы, которые выпускаются почти одновременно, с использованием одного и того же ядра:

Windows: операционная система для ПК, планшетов и обычных смартфонов. Последняя версия - Windows 10. Основными конкурентами в семействе являются MacOS от Apple для ПК и Android для мобильных устройств.

Windows Server: операционная система серверного компьютера. Последняя версия - Windows Server 2019. По сравнению с продуктами пользовательского уровня, используется сильная схему именования. Главный конкурент этого семейства - Linux.

Windows PE: облегченная версия Windows, предназначенная для использования в качестве операционной системы реального времени для установки Windows на «голое железо» (особенно на нескольких компьютерах одновременно) для восстановления или устранения неполадок. Последняя версия - Windows PE 10.

Windows IoT (ранее Windows Embedded): Microsoft изначально разработала Windows CE как операционную систему общего назначения для любого устройства небольшими ресурсами, чтобы его можно было назвать «полноценным компьютером». В итоге Windows CE была окончательно изменена на Windows Embedded Compact и включена под брендом Windows Compact, который также включает Windows Embedded Industry, Windows Embedded Professional, Windows Embedded Standard, Windows Embedded Handbed и Windows Embedded Automotive.

Следующие семейства Windows больше не разрабатываются:

Windows 9x: операционная система для рыночных потребителей. Производство прекращено из-за низкой производительности. Microsoft теперь обслуживает потребительский рынок, используя Windows NT.

Windows Mobile: предшественник Windows Phone, это операционная система для мобильных телефонов. Первая версия имела название Pocket PC 2000. Третья версия - Windows Mobile 2003, которая является первой системой, использующей бренд Windows Mobile. Последняя версия - Windows Mobile 6.5.

Windows Phone: операционная система, продаваемая только производителям смартфонов. Первой версией была Windows Phone 7, за ней последовали Windows Phone 8 и Windows Phone 8.1. В следующей версии название изменилось на Windows 10 Mobile. В данный момент, такая версия больше не выпускается.

Служебные процессы

Приложения win32

Интерфейс системных вызовов (сервисов)

Исполнительная система

Ядро

Драйверы

Аппаратное обеспечение

Рисунок 6 – Архитектура Windows

Операционные системы Windows Server широко используются в корпоративной среде. В последние годы Microsoft увеличила вложения в использование Windows в качестве серверной операционной системы. Однако удобство использования Windows на серверах не так велико, как на ПК, поскольку она конкурирует с GNU/Linux и UNIX-ситемами на рынке серверов.

ReactOS — это альтернатива операционной системе Windows, разработанная по принципам Windows, без использования кода Microsoft.

ReactOS — это свободная операционная система с открытым исходным кодом, написанная с нуля. Ее дизайн основан на Windows, точно так же, как Linux основан на UNIX, но ReactOS — это не Linux. ReactOS выглядит и ощущается так же, как Windows, может запускать программное обеспечение Windows и драйверы Windows и знакома пользователям Windows.

В отличии от Windows (особенно новых версий), по умолчанию не отслеживает действия пользователя. Таким образом она выгодно отличается для пользователей, которым важна конфиденциальности или которые не желают разглашать какую-либо личную информацию.

Рисунок 7 – Логотип Linux

Ядро Linux было создано в 1991 году Линусом Торвальдсом, во время учебы в университете в Финляндии. Архитектура представлена на рис. 8 [10]. Торвальдс разместил информацию о своем проекте в группе студентов ИТ-программистов и получил необходимую поддержку и помощь от волонтеров, которым удалось создать полное и функциональное ядро.

Пользовательские приложения

Библиотека GNU

Интерфейс системных вызовов

Ядро

Архитектурно-зависимый код ядра

Аппаратная платформа

Рисунок 8 – Архитектура Linux

Linux похож на UNIX, но был разработан без кода UNIX. Благодаря своей открытой структуре, режим ядра Linux был доступен студентам для изменений, в результате чего, ядро получило широкое распространение - от суперкомпьютеров до умных часов. Хотя оценки показывают, что Linux используется на 1,82% всех настольных компьютеров [7], он широко применяется на серверах и во встроенных системах, таких как мобильные телефоны. Linux распространил UNIX на многие платформы; он используется на многих суперкомпьютерах, включая все из списка TOP500, по состоянию на 2020 год. Linux ядро используют ОС Debian, Ubuntu, Linux Mint, Chrome OS и прочие [7].

Необходимо отметить важные хронологические этапы развития ядра Linux и показать увеличение объёма исходного кода:

17 сентября 1991: Linux версии 0.01 (10 239 строк кода).

14 марта 1994: Linux версии 1.0.0 (176 250 строк кода).

9 июня 1996: Linux версии 2.0.0 (777 956 строк кода).

22 июля 2011: релиз Linux 3.0 (14,6 млн строк кода).

23 февраля 2015: первый релиз-кандидат Linux 4.0 (более 19 млн строк кода).

7 января 2019: первый релиз-кандидат Linux 5.0 (более 26 млн строк кода).

Ядро Linux распространяется на условиях лицензии GNU General Public License, то есть свободно. Эту лицензию выбрал Линус Торвальдс практически сразу после того, как стало понятно, что его хобби начало получать распространение по всему миру. Владельцем торговой марки Linux является Линус, а помогает следить за соблюдением его прав и условий GPL Фонд свободного программного обеспечения.

Linux Foundation публикует годовой отчет о процессе разработки ядра, который содержит данные о частоте выпуска, скорости изменений и участвующих компаниях. Например, в отчете за 2016 год указано такое состояние процесса разработки ядра:

Уменьшение вклада неоплачиваемых разработчиков в развитие ядра. За этот период их доля уменьшилась с 14,6% до 7,7%. Так произошло по причине того, что многие из этих разработчиков наняты компаниями.

Взносы компаний. В этот период доля Intel составляли 12,9%, Red Hat -8%, Linero - 4%, Samsung - 3,9%, SuSE - 3,2% и IBM - 2,7%. Но несколько лет назад ситуация с участием крупных ИТ компаний сильно отличалась. В 2010 году первое место занимали Red Hat (10,2%), Intel (8,8%), Texas Instruments (4,1%), Linaro (4,1%), SuSE (3,5%), IBM (3,1%). Доля ведущего разработчика процессоров Intel значительно выросла, и компания отмечает, что ядро Linux имеет большое стратегическое значение для компании. Таким образом видна поддержка ядра Linux многими компаниями, лидерами современного рынка ИТ.

Ядро Linux — это огромный проект с участием многих разработчиков, что делает невозможным контроль одному человеку. Ядро имеет различные подсистемы, такие как графика, USB-устройства, сети, планировщики и т. Д. Поддержанием каждой подсистемы занимается отдельный человек - меинтейнер. Компании и разработчики отправляют свои патчи меинтейнерам определенной подсистемы.

Меинтейнеры анализируют исправления, внесенные программистами или другими компаниями, и принимают их, либо возвращают на доработку. Так происходит в каждой подсистеме. После получения исправления оно добавляется в тестовую ветвь ядра, где проходит тестирование, после чего, в случае положительных тестов, включается в новую версию.

Интересной особенностью является выбранная система координации действий всех разработчиков - используется рассылка Email. Электронная почта оказалась лучшим способом управления таким большим проектом, как ядро. Она быстрее, чем любая из альтернатив, при количестве изменений от 8 в час от 4000 разработчиков и 400 компаний, нужно очень мощное решение.

Рисунок 9 – Логотип macOS

MacOS (формально известная как Mac OS X, а затем OS X) - это графическая операционная система, разработанная Apple Inc. MacOS стала заменой классической Mac OS, основной операционной системы Apple с 1984 года [10]. В отличие от своих предшественников, macOS — это операционная система UNIX, построенная на технологиях, разработанных NeXT в третьей половине 1980-х годов. Эта операционная система была впервые выпущена в 1999 году как Mac OS X Server 1.0, за которой последовала пользовательская версия, выпущенная в апреле 2001 года - Mac OS X v10.0 «Cheetah»[7]. В последствии было выпущено несколько серверных версий macOS, они были интегрированы в OS X 10.7 «Lion» [7].

До присоединения к macOS серверная версия macOS Server была архитектурно идентична своему настольному аналогу, обычно работающему на сервере Apple Macintosh [7]. macOS Server включал программные инструменты для групповой работы и администрирования, которые обеспечивали легкий доступ к ключевым сетевым службам. В Mac OS X v10.7 Lion все серверные аспекты Mac OS X были адаптированы к пользовательской версии. Продукт был переименован в OS X. Серверные инструменты теперь доступны в приложении [7].

На рисунке 10 представлена архитектура macOS.

AQUA

CLASSIC

CARBON

COCOA

JAVA

QUARC

OPENGL

QUICKTIME

DARWIN

Рисунок 10 – Архитектура macOS.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ОС

Операционную систему можно рассматривать с разных точек зрения [4, 11], рис. 11.

Набор функций

Представления ОС

Системные службы

Многослойная структура

Рисунок 11 – Представления ОС

Наиболее понятной является рассмотрение ОС с точки зрения функций ОС [4], рис. 12.

Рисунок 12 – Функции ОС.

2.1. Управление памятью приложений

Ядро операционной системы отвечает за организацию памяти, используемой для всей системы. Это гарантирует, что программа не имеет доступа к пространству памяти, уже используемому другой программой [4]. Каждая программа должна иметь независимый диапазон памяти. Совместная организация памяти, используемая во многих устаревших операционных системах, была организована таким образом, что программы не могли увеличить объем выделенной им памяти. Механизм управления памятью не использовался до определенного времени, поскольку программы часто содержат ошибки, которые могут привести к увеличению объема выделенной памяти. Если программа выйдет из строя, это может привести к повреждению или перезаписи памяти, используемой одной или несколькими другими программами. Вредоносные программы и вирусы могут намеренно изменить память другой программы или повредить саму операционную систему. В случае кооперативного способа организации памяти достаточно одной работающей со сбоями программы, чтобы система вышла из строя. Управление памятью позволяет ядру ограничивать доступ процессов к памяти компьютера. Существуют различные методы управления памяти, в том числе механизм сегментации памяти на страницы. Все методы требуют некоторого уровня аппаратной поддержки (например, 80286 MMU), которая доступна не на всех компьютерах. И в сегментации, и в механизме страниц специальные регистры защищенного режима определяют для ЦП, какой адрес памяти должна предоставлять операционная система. Попытки доступа к другим адресам памяти вызывают прерывание, которое заставляет ЦП возвращаться в режим контроллера. Это явление называется Seg-V, потому что в этой ситуации очень сложно передать значимый результат, ядро в основном принудительно завершает программу с ошибкой и предоставляет информацию об ошибке. Версии Windows 3.1 имели некоторый уровень защиты памяти, но приложения могли легко обойти необходимость его использования.