Место и роль операционной системы в вычислительной системе

1. Место операционной системы в вычислительной системе.

2. Цель и задачи занятия(НЕ ЗАПИСЫВАТЬ!!!)

• Цель занятия:
Сформировать целостное представление о месте и роли операционной
системы в вычислительной системе, о её функциях как менеджера ресурсов и
виртуальной машины.
• Задачи
Перечень базовых ресурсов компьютера - изучить, чем управляет ОС.
Операционная система как менеджер ресурсов - разобрать механизмы
управления.
Обзор критериев эффективности работы ОС - понять, как оценивают качество
ОС.
Операционная система как виртуальная машина - рассмотреть концепцию
виртуализации.
Связь с практикой -понять, как эти знания применяются в реальной работе.

3. Место ОС в вычислительной системе

• Вычислительная система - это совокупность:
Hardware - аппаратные средства (процессор, память, устройства)
Software - программное обеспечение (ОС, прикладные программы)
User - пользователь (человек или другое устройство)
• ОС - это связующее звено: Пользователь
↓
Прикладные программы
↓
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА ← ГЛАВНЫЙ ПОСРЕДНИК
↓
Аппаратное обеспечение
• Без ОС: компьютер — набор микросхем
С ОС: компьютер — универсальный инструмент

4. Перечень базовых ресурсов компьютера

• Ресурсы - это всё, что может быть использовано для решения задач:
Ресурс
Описание
Примеры
Процессорное время
Время работы процессора
Такты, кванты времени
Оперативная память
Быстрая энергозависимая память
RAM, кэш
Внешняя память
Долговременное хранение данных
HDD, SSD, флешки
Устройства ввода-вывода
Обмен данными
Клавиатура, монитор, принтер
Файлы и данные
Информация на диске
Документы, программы
Сетевые ресурсы
Обмен по сети
IP-адреса, порты, каналы
Энергия
Питание системы
Батарея, блок питания
• Главный ресурс - процессорное время!

5. Аппаратные ресурсы: процессор и память

• Процессор (CPU)
Ядра - независимые вычислительные блоки
Тактовая частота - количество операций в секунду
Кэш - быстрая память внутри процессора
Регистры - сверхбыстрая память
• Память
Регистры - внутри процессора, самые быстрые
Кэш L1/L2/L3 - быстрая память
RAM - оперативная память
Внешняя память -HDD, SSD

6. Программные и информационные ресурсы

• Программные ресурсы:
Процессы -выполняющиеся программы
Потоки -параллельные ветви выполнения
Системные вызовы- интерфейс к ядру
Библиотеки - готовые функции
• Информационные ресурсы:
Файлы - именованные области на диске
Каталоги - организации файлов
Права доступа - защита информации
Метаданные - информация о файлах
• Ключевое понятие:
Процесс - это программа в момент выполнения.
Ресурс - всё, что процесс может использовать.

7. Операционная система как менеджер ресурсов

• ОС - это менеджер, который:
Распределяет ресурсы между процессами
Контролирует использование ресурсов
Защищает ресурсы от несанкционированного доступа
Оптимизирует использование ресурсов
Восстанавливает ресурсы после сбоев
• Основные функции менеджера:
Управление процессами - создание, планирование, завершение
Управление памятью - выделение, освобождение, защита
Управление файлами - создание, чтение, запись, удаление
Управление устройствами - ввод-вывод, буферизация, очереди
Управление сетью -соединения, протоколы, безопасность

8. Управление процессами

• Что такое процесс?
Процесс - это программа в момент выполнения.
Код - инструкции программы
Данные - переменные, константы
Стек - вызовы функций
Регистры -текущее состояние
Ресурсы - файлы, память, устройства
• Состояния процесса:
Новый - создаётся
Готов - ждёт процессор
Выполняется - работает на CPU
Ожидает - ждёт ввода-вывода
Завершён - закончил работу
• Планирование процессов:
FCFS - первый пришёл, первый обслужен
Round Robin - круговая очередь
Приоритетное - по важности

9. Управление памятью

• Задачи управления памятью:
Выделение памяти процессам
Освобождение памяти
Защита памяти
Перемещение данных
Виртуализация памяти
• Виртуальная память:
Иллюзия большого объёма RAM
Страницы -блоки памяти
Таблица страниц - соответствие виртуальных и физических адресов
Файл подкачки - продолжение RAM на диске

10. Управление файлами и устройствами

• Файловая система:
Файл - именованная область на диске
Каталог - папка для организации файлов
Путь - адрес файла в дереве каталогов
Права - чтение, запись, выполнение
• Типы файловых систем:
FAT32 - старый, совместимый
NTFS - Windows
ext4 -Linux
APFS - macOS
• Управление устройствами:
Драйверы - программы для устройств
Буферизация - временное хранение данных
Очереди - порядок запросов
Прерывания -сигналы от устройств

11. Обзор критериев эффективности работы ОС

• Основные критерии:
Критерий
Описание
Пример
Производительность
Скорость работы
Время отклика, пропускная способность
Надёжность
Безотказность
Время безотказной работы
Безопасность
Защита данных
Шифрование, права доступа
Удобство
Простота использования
Интерфейс, документация
Масштабируемость
Расширяемость
Поддержка новых устройств
Совместимость
Работа с ПО
Поддержка приложений
Экономичность
Потребление ресурсов
Энергопотребление, память
• Главный критерий - производительность!

12. Производительность и надёжность

• Производительность:
Время отклика - время реакции на запрос
Пропускная способность - задач в единицу времени
Загрузка CPU - процент использования
Загрузка памяти - процент использования
• Надёжность:
Время безотказной работы - MTBF
Время восстановления - MTTR
Коэффициент готовности = MTBF / (MTBF + MTTR)

13. Безопасность и удобство

• Безопасность:
Аутентификация - проверка подлинности
Авторизация - проверка прав
Шифрование - защита данных
Аудит - запись действий
Изоляция - разделение процессов
• Удобство:
Интерфейс - CLI, GUI, NUI
Документация - справка, руководства
Подсказки - помощь в работе
Настройка - персонализация
• Баланс:
Безопасность
Удобство
Чем выше безопасность, тем ниже удобство.
Чем выше удобство, тем ниже безопасность.

14. Операционная система как виртуальная машина

• Концепция:
• ОС создаёт иллюзию того, что:
У каждого пользователя - свой компьютер
У каждой программы - своя память
У каждого процесса - свой процессор
У каждого устройства - свой интерфейс
• Виртуальная машина – это абстракция, которая скрывает детали аппаратного
обеспечения и предоставляет удобный интерфейс для работы.
• Уровни абстракции:
Прикладная программа
↓ (системные вызовы)
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
↓ (драйверы)
Аппаратное обеспечение

15. Виртуализация и гипервизоры

• Виртуализация- это технология, позволяющая запускать несколько ОС на
одном физическом компьютере.
• Гипервизор- это программа, управляющая виртуальными машинами.
• Типы гипервизоров:
Тип 1 (bare-metal) - работает напрямую на железе
VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM
Тип 2 (hosted) - работает поверх ОС
VirtualBox, VMware Workstation
• Виртуальная машина:
Изолирована от других ВМ
Имеет свои виртуальные ресурсы
Может быть скопирована, перемещена, сохранена

16. Итоги занятия

• Что мы узнали:
• Место ОС в вычислительной системе - ОС это посредник между пользователем и
«железом».
• Базовые ресурсы компьютера - процессорное время, память, файлы, устройства,
сеть.
• ОС как менеджер ресурсов - распределяет, контролирует, защищает,
оптимизирует, восстанавливает.
• Критерии эффективности ОС - производительность, надёжность, безопасность,
удобство, масштабируемость, совместимость, экономичность.
• ОС как виртуальная машина - создаёт иллюзию отдельного компьютера для
каждого пользователя, программы, процесса.
• Виртуализация - технология запуска нескольких ОС на одном компьютере.
• Главный вывод:
Операционная система - это фундамент, на котором строится вся работа
компьютера. Понимание ОС позволяет эффективно использовать компьютер и
решать любые задачи.

17. Вопросы для самоконтроля

• Что такое операционная система? Какое место она занимает в
вычислительной системе?
• Перечислите базовые ресурсы компьютера. Какой ресурс является главным?
• Что значит «ОС как менеджер ресурсов»? Какие функции она выполняет?
• Назовите критерии эффективности ОС. Какой критерий самый важный?
• Что такое «ОС как виртуальная машина»? Какие иллюзии она создаёт?
• Что такое виртуализация? Какие типы гипервизоров вы знаете?

18. Практическое значение(НЕ ЗАПИСЫВАТЬ)

• Где применяются знания об ОС:
Администрирование серверов - настройка, мониторинг, оптимизация
Разработка ПО -учёт особенностей ОС, оптимизация
Кибербезопасность —- защита, аудит, расследование
Облачные технологии —- виртуализация, контейнеризация
Встраиваемые системы - IoT, умные дома, автомобили
Мобильные устройства - Android, iOS
Научные исследования -суперкомпьютеры, кластеры
• Навыки:
Установка и настройка ОС
Управление пользователями и правами
Мониторинг ресурсов
Оптимизация производительности
Обеспечение безопасности