лекции СПО

3 Назначение и функции операционной системы

Се одня существует ольшое количество р зных типов опер ционных систем, отлич ющихся о л стями применения, пп р тными пл тформ ми и метод ми ре лиз ции. Естественно, это о усл влив ет и зн чительные функцион льные р зличия этих ОС. Д же у конкретной опер ционной системы н ор выполняемых функций з ч стую определить не т к просто — т

функция, котор я се одня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, з втр может ст ть ее неотъемлемой ч стью и н о орот. Поэтому при изучении опер ционных систем очень в жно из все о мно оо р зия выделить те функции, которые присущи всем опер ционным систем м к к кл ссу продуктов.

3.1 Операционные системы для автономного компьютера

дру ой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две руппы функций:

- предост вление пользов телю или про р ммисту вместо ре льной пп р туры компьютер р сширенной вирту льной м шины, с которой удо ней р от ть и которую ле че про р ммиров ть;

- повышение эффективности использов ния компьютер путем р цион льно о упр вления е о ресурс ми в соответствии с некоторым критерием.

3.1.1 ОС как виртуальная машина

Для то о что ы успешно реш ть свои з д чи, современный пользов тель или д же прикл дной про р ммист может о ойтись ез доскон льно о зн ния пп р тно о устройств компьютер . Ему не о яз тельно ыть в курсе то о, к к

функционируют р зличные электронные локи и электромех нические узлы компьютер . Более то о, очень ч сто пользов тель может не зн ть д же системы ком нд процессор . Пользов тель-про р ммист привык иметь дело с

приложение для р оты под упр влением ОС, или конечному пользов телю ОС дост точно предст влять е о в виде некоторо о н ор ф йлов, к ждый из которых имеет имя. Последов тельность действий при р оте с ф йлом

з ключ ется в е о открытии, выполнении одной или нескольких опер ций

р зличных в ри нтов з вершения опер ции, можно счит ть про р ммиров ние

устройств ми компьютер : физической п мятью, т ймер ми, принтер ми и т. д.

3.1.2 ОС как система управления ресурсами

Опер ционн я систем не только предост вляет пользов телям и про р ммист м удо ный интерфейс к пп р тным средств м компьютер , но и

является мех низмом, р спределяющим ресурсы компьютер .

К числу основных ресурсов современных вычислительных систем мо ут

выполнения. Про р мм — это ст тический о ъект, предст вляющий со ой ф йл с код ми и д нными. Процесс — это дин мический о ъект, который возник ет в опер ционной системе после то о, к к пользов тель или с м опер ционн я систем реш ет «з пустить про р мму н выполнение», то есть

созд ть новую единицу вычислительной р оты. Н пример, ОС может созд ть

эффективно о их использов ния является н зн чением опер ционной системы.

простои процессор , вызыв емые о р щениями процессов к вводу-выводу. ОС т кже отслежив ет и р зреш ет конфликты, возник ющие при о р щении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввод -вывод или к одним и тем же д нным. Критерий эффективности, в соответствии с которым

Соответственно вы р нному критерию эффективности опер ционные системы

к ком количестве (если ресурс может выделяться ч стями) следует выделить д нный ресурс;

поддерж ние опер тивной информ ции о том, з нят или сво оден ресурс и к к я доля ресурс уже р спределен ;

- р зрешение конфликтов между процесс ми.

Для решения этих о щих з д ч упр вления ресурс ми р зные ОС используют р зличные л оритмы, осо енности которых в конечном счете и определяют о лик ОС в целом, включ я х р ктеристики производительности,

порожд ется в основном случ йным х р ктером возникновения з просов н

потре ление ресурсов. В мультипро р ммной системе о р зуются очереди

з явок от одновременно выполняемых про р мм к р зделяемым ресурс м компьютер : процессору, стр нице п мяти, к принтеру, к диску. Опер ционн я

систем ор низует о служив ние этих очередей по р зным л оритм м: в

порядке поступления, н основе приоритетов, кру ово о о служив ния и т. д.

Ан лиз и определение оптим льных дисциплин о служив ния з явок является предметом специ льной о л сти прикл дной м тем тики — теории м ссово о

о служив ния. Эт теория ино д используется для оценки эффективности тех

или иных л оритмов упр вления очередями в опер ционных систем х. Очень

ч сто в ОС ре лизуются и эмпирические л оритмы о служив ния очередей,

прошедшие проверку пр ктикой.

Т ким о р зом, упр вление ресурс ми сост вляет в жную ч сть функций лю ой опер ционной системы, в осо енности мультипро р ммной. В

отличие от функций р сширенной м шины ольшинство функций упр вления ресурс ми выполняются опер ционной системой втом тически и прикл дному про р ммисту недоступны.

3.2 Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера

Функции опер ционной системы втономно о компьютер о ычно руппируются ли о в соответствии с тип ми лок льных ресурсов, которыми упр вляет ОС, ли о в соответствии со специфическими з д ч ми,

применимыми ко всем ресурс м. но д т кие руппы функций н зыв ют

подсистем ми. Н и олее в жными подсистем ми упр вления ресурс ми являются подсистемы упр вления процесс ми, п мятью, ф йл ми и внешними устройств ми, подсистем ми, о щими для всех ресурсов, являются подсистемы пользов тельско о интерфейс , з щиты д нных и

дминистриров ния.

3.2.1 Управление процессами

В жнейшей ч стью опер ционной системы, непосредственно влияющей

процесс в ресурс х вычислительной системы, т кже о ф ктически

выделенных ему ресурс х. Т ким о р зом, процесс можно т кже определить

процессорно о времени. Кроме то о, процессу может пон до иться доступ к

приоритет ). Д нные т ко о род мо ут учитыв ться опер ционной системой при принятии решения о предост влении ресурсов процессу.

В мультипро р ммной опер ционной системе одновременно может существов ть несколько процессов. Ч сть процессов порожд ется по

иници тиве пользов телей и их приложений, т кие процессы о ычно н зыв ют

пользов тельскими. Дру ие процессы, н зыв емые системными,

иници лизируются с мой опер ционной системой для выполнения своих

функций.

Поскольку процессы ч сто одновременно претендуют н одни и те же

ресурсы, то в о яз нности ОС входит поддерж ние очередей з явок процессов

н ресурсы, н пример очереди к процессору, к принтеру, к последов тельному порту.

В жной з д чей опер ционной системы является з щит ресурсов,

выделенных д нному процессу, от ост льных процессов. Одним из н и олее

о л стей опер тивной п мяти, выделенных опер ционной системой процессу,

простр нств, осуществляемую ОС. З щищ ются и дру ие типы ресурсов, т кие

совместное использов ние, н пример р зреш ть доступ к некоторой о л сти

пмяти нескольким процесс м.

Нпротяжении период существов ния процесс е о выполнение может ыть мно окр тно прерв но и продолжено. Для то о что ы возо новить

выполнение процесс , нео ходимо восст новить состояние е о опер ционной

среды. Состояние опер ционной среды идентифицируется состоянием ре истров и про р ммно о счетчик , режимом р оты процессор , ук з телями н открытые ф йлы, информ цией о нез вершенных опер циях ввод -вывод ,

код ми оши ок выполняемых д нным процессом системных вызовов и т. д. Эт

н ступления к ко о-ли о со ытия в системе, н пример з вершения опер ции

ввод -вывод , осуществляемой по е о з просу опер ционной системой.

В опер ционной системе нет однозн чно о соответствия между

процесс ми и про р мм ми. Один и тот же про р ммный ф йл может породить

д нными. Т к к к опер ционн я систем з щищ ет ресурсы процессов и не

позволяет одному процессу пис ть или чит ть из п мяти дру о о процесс , то для опер тивно о вз имодействия процессов ОС должн предост влять осо ые средств , которые н зыв ют средств ми межпроцессно о вз имодействия.

Т ким о р зом, подсистем упр вления процесс ми пл нирует

выполнение процессов, то есть р спределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процесс ми, з ним ется созд нием и уничтожением процессов, о еспечив ет процессы нео ходимыми

3.2.2 Управление памятью

П мять является для процесс т ким же в жным ресурсом, к к и процессор, т к к к процесс может выполняться процессором только в том случ е, если е о коды и д нные (не о яз тельно все) н ходятся в опер тивной п мяти.

Упр вление п мятью включ ет р спределение имеющейся физической п мяти между всеми существующими в системе в д нный момент процесс ми,

з рузку кодов и д нных процессов в отведенные им о л сти п мяти, н стройку

выделении процессу дополнительных о ъемов п мяти). В некоторых систем х

п мять. Н личие в ОС мех низм вирту льной п мяти позволяет про р ммисту

пис ть про р мму т к, к к удто в е о р споряжении имеется однородн я

опер тивн я п мять ольшо о о ъем , ч сто существенно превыш юще о

о ъем имеющейся физической п мяти. В действительности все д нные,

используемые про р ммой, хр нятся н диске и при нео ходимости ч стями

(се мент ми или стр ниц ми) ото р ж ются в физическую п мять. При

перемещении кодов и д нных между опер тивной п мятью и диском

подсистем вирту льной п мяти выполняет тр нсляцию вирту льных дресов,

полученных в результ те компиляции и компоновки про р ммы, в физические

дрес ячеек опер тивной п мяти. Очень в жно, что все опер ции по

перемещению кодов и д нных между опер тивной п мятью и диск ми, т кже тр нсляция дресов выполняются ОС прозр чно для про р ммист .

З щит п мяти — это из иpaтeльнaя спосо ность предохр нять

выполняемую з д чу от з писи или чтения п мяти, н зн ченной дру ой з д че.

Пр вильно н пис нные про р ммы не пыт ются о р щ ться к п мяти,

н зн ченной дру им. Одн ко ре льные про р ммы ч сто содерж т оши ки, в

результ те которых т кие попытки ино д предприним ются. Средств з щиты

п мяти, ре лизов нные в опер ционной системе, должны пресек ть

нес нкциониров нный доступ процессов к чужим о л стям п мяти.

Т ким о р зом, функциями ОС по упр влению п мятью являются отслежив ние сво одной и з нятой п мяти; выделение п мяти процесс м и

осво ождение п мяти при з вершении процессов; з щит п мяти; вытеснение

3.2.3 Управление файлами и внешними устройствами

Спосо ность ОС к «экр ниров нию» сложностей ре льной пп р туры

очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС — ф йловой

Пользов тель может с помощью ОС выполнять н д ф йл ми и к т ло ми т кие действия, к к поиск по имени, уд ление, вывод содержимо о н внешнее устройство (н пример, н дисплей), изменение и сохр нение содержимо о.

Что ы предст вить ольшое количество н оров д нных, р з рос нных случ йным о р зом по цилиндр м и поверхностям дисков р зличных типов, в

виде хорошо всем зн комой и удо ной иер рхической структуры ф йлов и

к т ло ов, опер ционн я систем должн решить множество з д ч. Ф йлов я

систем ОС выполняет прео р зов ние символьных имен ф йлов, с которыми

нес нкциониров нно о доступ .