Структура та призначення операційних систем

VI  СЕМЕСТР

ЛЕКЦІЯ 1

Розділ 2. Адміністрування ОС  Windows

Тема 2.1. Структура та призначення операційних систем

План

1. Класифікація та функції операційних систем.
2. Компоненти ОС.
3. Поняття операційного та програмного середовища.

Література: [ 6 ], c. 8-25. І.М. Федотова-Півень Операційні системи. Навчальний посібник.-Харків, 2019.

1. Класифікація та функції операційних систем

Операційна система (ОС) – це програма, що керує роботою інших програм, як прикладних, так і системних, і є інтерфейсом між програмами і апаратним забезпеченням комп'ютера. Тому, можемо стверджувати, що найголовнішими функціями, які виконує операційна система є:

Інтерфейс між користувачем і комп’ютером.

Керування ресурсами.

Також виділяють і інші функції операційних систем.

ФУНКЦІЇ ОС 

Пересічним користувачем комп'ютерна система сприймається, як набір додатків (прикладних програм) і його не цікавлять подробиці апаратного забезпечення комп’ютерної системи. Додатки створюють програмісти на одній

мов програмування і для спрощення програмування функцій управління комп'ютером розроблено цілий набір системних програм (деякі з них називаються утилітами), які реалізують часто використовувані функції (роботу

файлами, управління пристроями введення/виведення і т. д.). Програмісти використовують ці засоби при розробці власних програм. Зрозуміло, що найбільш важливою частиною системних програм є ОС, що безпосередньо взаємодіє з апаратурою. Отже, маємо сприймати ОС як посередника, що забезпечує і спрощує користувачеві (програмісту), а також програмним додаткам доступ до різних служб, зменшує залежність від конкретної реалізації апаратного забезпечення. Також ОС управляє ресурсами, розподіляючи їх між програмами, або у часі (розподіл доступу до процесора, принтеру), або в просторі (використання оперативної пам'яті, дискового простору).

На рисунку 1.1 подана ієрархічна структура програмного забезпечення.

Рисунок 1.1 ‒ Ієрархічна структура програмного забезпечення

На рисунку 1.2 подано більш докладну схему ієрархічної структури програмно-апаратного забезпечення комп’ютера.

Самий нижній рівень містить різні пристрої комп'ютера, що складаються мікросхем, провідників, джерел живлення і т.п. Цей рівень можна розділити

на підрівні, наприклад контролери пристроїв, а потім самі пристрої. Можливий розподіл і на більше число рівнів.

Вище розташований мікроархітектурний рівень, на якому фізичні пристрої розглядаються як окремі функціональні одиниці.

На мікроархітектурному рівні знаходяться внутрішні регістри центрального процесора (їх може бути декілька) і арифметико-логічні пристрої (АЛП) з засобами управління ними. На цьому рівні реалізується виконання машинних команд. У процесі виконання команд використовуються регістри процесора і пристроїв, а також інші можливості апаратури.

Прикладні програми

Утиліти  Транслятори: компілятори,  інтерпретатори

ОПЕРАЦІЙНА СИСТЕМА

Машинна мова

Мікроархітектура (регістри, ЦП, АЛП)

Фізичні пристрої (контролери, шини, монітор)

Рисунок 1.2 ‒ Ієрархічна структура програмно-апаратних засобів комп’ютера:

•                                                                                                рівні доступні для розробників ОС;

рівні доступні для користувача і програміста.

Команди, видимі для працюючого на асемблері програміста, формують рівень ISA (Instruction Set Architecture ‒ архітектура системи команд), так звана машинна мова.

Операційна система призначена для того, щоб приховати всі ці складності. Таким чином, операційна система ‒ це набір програм, які контролюють роботу прикладних програм і системних додатків, і виконує роль інтерфейсу між користувачами, програмістами, прикладними програмами, системними додатками і апаратним забезпеченням комп'ютера.

За режимом За способом За За принципом

обробки задач взаємодії з призначенням побудови

користувачем

За режимом обробки задач.

_ Однопрограмні (наприклад, MS-DOS). Мультипрограмні (більшість сучасних ОС).

За способом взаємодії з користувачем.

_ Діалогові ОС.

Системи пакетної обробки.

За призначенням.

За принципом побудови.

_ Макроядерні (Монолітні).

_ Мікроядерні.

Ієрархічні.

2. Компоненти операційних систем

Для більш докладного роз’яснення класифікації ОС за принципом побудови з’ясуємо з чого складається операційна система.

•                        системні бібліотеки та програми обслуговування.

Ядро операційної системи — це набір функцій, структур даних та окремих програмних модулів, які завантажуються в пам’ять комп’ютера при завантаженні операційної системи та забезпечують три типи системних сервісів:

 управління вводом-виводом інформації (підсистема введення/виведення ОС);

•                      управління оперативною пам’яттю (підсистема управління оперативною пам’яттю ОС);
•                      управління процесами (підсистема управління процесами ОС).

Структура ОС визначає, як пов’язані між собою її компоненти.

Монолітна структура (структура макроядра). Всі програми ОС монолітної структури зібрані в один модуль. Така ОС являє собою набір процедур, кожна з яких при необхідності може викликати інші процедури, так як в монолітній ОС всі процедури відтрансльовані і скомпоновані в єдиний виконуваний файл. У порівнянні з іншими структурами, монолітну ОС важко розробляти, відлагоджувати, розширювати, і як наслідок у неї низька надійність, але більш висока швидкодія. Приклади таких ОС: MS-DOS, ранній

Unix.

Ієрархічна структура (багатошарове ядро). Основні принципи побудови ОС ієрархічної структури:

Переваги ієрархічної ОС: модульність, простота відладки і підтримки, можливість заміни або модифікації окремого шару.

Структура  мікроядра.  В  такій  ОС  ядро  виконує  невелику  кількість самих  важливих  функцій:  робота   з   адресним  простором,   міжпроцесна взаємодія, основне планування. Інші функції ОС виконуються процесами або серверами. Ці процеси запускаються в режимі користувача, а мікроядро працює ними таким же чином, як і з іншими додатками. При цьому спрощується розробка  ОС,  підвищується  її  гнучкість,  але  разом  з  тим  відбувається   зменшення швидкодії обчислювальних процесів.

Системні виклики

Функції ядра операційної системи можуть бути виконані внаслідок виконання в прикладних програмах спеціальних функцій – системних викликів.

Більшість ОС можуть працювати в двох режимах:

Необхідність системних викликів виникає тому, що прикладні програми не в змозі самотужки визначити, за якими адресами знаходяться функції ядра.

Системний виклик в один з машинно-залежних способів реалізує механізм отримання адрес функцій ядра та передачу в ці функції необхідних параметрів системного виклику, а також отримання результату системного виклику. Найчастіше системні виклики забезпечуються через систему переривань, завдяки чому адреса функції ядра не тільки обраховується апаратно (в процесі обробки переривання), але й забезпечується захист інформаційних ресурсів ядра. Системні виклики найчастіше мають синтаксис функції мови програмування, якою написано ядро ОС.

3. Поняття операційного і програмного середовища

Образно можна сказати, що апаратура комп'ютера надає «сиру» обчислювальну потужність, а завдання операційної системи полягає в тому, щоб зробити використання цієї обчислювальної потужності доступним і, по можливості, зручним для користувача. Програміст може не знати деталі управління конкретними ресурсами (наприклад, диском) комп'ютера і повинен звертатися до операційної системи з відповідними викликами, щоб отримати від неї необхідні сервіси та функції. Цей набір сервісів і функцій і є операційним середовищем, в якому виконуються прикладні програми.

Таким чином, операційне середовище – це інтерфейси, що необхідні програмам і користувачам для отримання сервісів ОС. Операційне середовище включає в себе програмне середовище та інтерфейс користувача.

Програмне середовище, що безпосередньо утворене кодом ОС, називається основним. Окрім нього, в ОС можуть бути організовані додаткові програмні середовища шляхом емуляції іншої операційної системи. Таким чином можливо забезпечити виконання програм, що створені для інших операційних систем.

Звернення користувачів (програм) до функцій ОС відбувається за допомогою систем запитів або викликів.

Для кожної ОС характерним є свій набір системних викликів, який являє собою сукупність системних викликів і правила їх застосування (API, Application Programming Interface ‒ Інтерфейс прикладного програмування).

Програма, що створена для однієї ОС, скоріш за все не буде працювати в іншій, оскільки ці ОС мають різні API. Для подолання такого обмеження розробляються програмні середовища.

Програмне середовище – це системне програмне оточення, що дозволяє виконувати системні запити від прикладних програм.