Программные_инструменты_и_средства_Операционные_системы_2

1. Программные инструменты и средства. Операционные системы

1 курс, 1 семестр, МХРТ

2. Программное обеспечение (ПО) - совокупность программ, предназначенная для решения задач на ПК

Программное обеспечение, можно условно разделить на три категории:
• системное ПО (программы общего пользования), выполняющие
различные вспомогательные функции, например создание копий
используемой информации, выдачу справочной информации о
компьютере, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д.
• прикладное ПО, обеспечивающее выполнение необходимых работ на
ПК: редактирование текстовых документов, создание рисунков или
картинок, обработка информационных массивов и т.д.
• инструментальное ПО (системы программирования),
обеспечивающее разработку новых программ для компьютера на
языке программирования.

3.

4. Операционная система

сокращенно 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.
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.

5.

6.

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.

7. 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;

8. Операционные системы нужны, если:

• 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;

9. Операционные системы нужны, если:

• 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.

10. Функции операционных систем (основные)

• 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.

11. Функции операционных систем (дополнительные)

• 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

12. Основные понятия, концепции ОС

• Системные вызовы (system calls) – это интерфейс
между операционной системой и пользовательской программой.
Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные
из которых – процессы и файлы. Пользовательская программа
запрашивает сервис у операционной системы,
осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур,
которые загружают машинные регистры определенными
параметрами и осуществляют прерывание процессора, после
чего управление передается обработчику данного вызова,
входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек
– сделать системный вызов похожим на обычный
вызов подпрограммы.

13. Основные понятия, концепции ОС

• Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним (по
отношению к процессору ) устройством. Посредством
аппаратных прерываний аппаратура либо информирует
центральный процессор о том, что произошло какое-либо событие,
требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал
клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции вводавывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память).
Важный тип аппаратных прерываний – прерывания таймера, которые
генерируются периодически через фиксированный промежуток
времени. Прерывания таймера используются ОС при планировании
процессов. Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер,
однозначно определяющий источник прерывания.
Аппаратное прерывание – это асинхронное событие, то есть оно возникает вне
зависимости от того, какой код исполняется процессором в данный момент.
Обработка аппаратного прерывания не должна учитывать, какой процесс
является текущим.

14. Основные понятия, концепции ОС

• Исключительная ситуация (exception) – событие, возникающее в
результате попытки выполнения программой команды, которая по каким-то
причинам не может быть выполнена до конца. Примерами таких команд
могут быть попытки доступа к ресурсу при отсутствии достаточных
привилегий или обращения к отсутствующей странице памяти.
Исключительные ситуации, как и системные вызовы, являются
синхронными событиями, возникающими в контексте текущей задачи.
Исключительные ситуации можно разделить на исправимые и
неисправимые. К исправимым относятся такие исключительные ситуации,
как отсутствие нужной информации в оперативной памяти. После устранения
причины исправимой исключительной ситуации программа может
выполняться дальше. Возникновение в процессе работы операционной
системы исправимых исключительных ситуаций считается нормальным
явлением. Неисправимые исключительные ситуации чаще всего возникают в
результате ошибок в программах (например, деление на ноль). Обычно в
таких случаях операционная система реагирует завершением программы,
вызвавшей исключительную ситуацию.

15. Основные понятия, концепции ОС

• Файлы предназначены для хранения информации на внешних носителях, то
есть принято, что информация, записанная, например, на диске, должна
находиться внутри файла. Обычно под файлом понимают именованную
часть пространства на носителе информации.
• Главная задача файловой системы (file system) – скрыть особенности вводавывода и дать программисту простую абстрактную модель файлов,
независимых от устройств. Для чтения, создания, удаления, записи,
открытия и закрытия файлов также имеется обширная категория системных
вызовов (создание, удаление, открытие, закрытие, чтение и т.д.).
Пользователям хорошо знакомы такие связанные с организацией файловой
системы понятия, как каталог, текущий каталог, корневой каталог, путь. Для
манипулирования этими объектами в операционной
системе имеются системные вызовы.
• Процессы, нити
• Концепция процесса в ОС одна из наиболее фундаментальных.

16. Классификация ОС

Реализация многозадачности
• По числу одновременно выполняемых задач операционные
системы можно разделить на два класса:
• многозадачные (Unix, OS/2, Windows);
• однозадачные (например, MS-DOS).

17. Классификация ОС

Поддержка многопользовательского режима
• По числу одновременно работающих пользователей ОС можно
разделить на:
• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);
• многопользовательские (Windows NT, Unix).
Наиболее существенное отличие между этими ОС заключается в наличии
у многопользовательских систем механизмов защиты персональных данных каждого
пользователя.

18. Классификация ОС

Многопроцессорная обработка
• Вплоть до недавнего времени вычислительные системы имели один
центральный процессор. В результате требований к повышению
производительности появились многопроцессорные системы, состоящие из двух
и более процессоров общего назначения, осуществляющих параллельное
выполнение команд. Поддержка мультипроцессирования является важным
свойством ОС и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows
NT, и ряде других.
• Многопроцессорные ОС разделяют на симметричные и асимметричные.
• В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро, и
задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка
полностью децентрализована. При этом каждому из процессоров доступна вся
память.
• В асимметричных ОС процессоры неравноправны. Обычно существует
главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы
которых определяет главный процессор.

19. Классификация ОС

• Системы реального времени
• В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами
разделения времени, включаются также системы реального времени
• Они используются для управления различными техническими объектами
или технологическими процессами. Такие системы характеризуются
предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение
которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом.
Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем они могут
поступать, причем от нескольких источников одновременно.
• Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального
времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память,
поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении
программ.

20. К следующей лекции найти ответы на эти вопросы

• Как можно классифицировать (по предложенным в лекции
пунктам) ОС Android?
• В чём, на ваш взгляд, отличия ОС современных смартфонов?
• Какая операционная система установлена на компьютерах NASA?
Попробуйте найти ответ в Интернете.