Классификация, основные функции и назначения операционных систем.

В настоящее время все персональные компьютеры ориентированы для работы с определённой операционной системой, которая устанавливается на его жёстком диске. И хотя такой механизм взаимодействия аппаратных ресурсов компьютера с программным обеспечением считается классическим, было время, когда IBM-совместимые компьютеры имели встроенный в ПЗУ BIOS интерпретатор BASIC. В этом случае, если в процессе загрузки ОС на дисковой подсистеме компьютера не обнаруживалась, то автоматически в память компьютера загружался интерпретатор BASIC.

Под операционной системой понимают совокупность программ, загружаемых в память компьютера после его включения или перезагрузки и резидентно находящуюся в ней на всё время работы компьютера. Операционная система предназначена для выполнения следующих функций:

1. Осуществляет управление всеми аппаратными ресурсами ПК, такими, как память, видеосистема, дисковая подсистема, порты ввода/вывода и так далее. Это управление обеспечивается через вектора прерываний INT BIOS.

2. Предоставляет пользователю средства общения с компьютером, т.е. обеспечивает пользовательский интерфейс. Различают два типа интерфейсов – текстовый и графический. Для текстового интерфейса взаимодействие пользователя с компьютером осуществляется с помощью клавиатуры, путём набора синтаксиса соответствующих команд и их исполнения. Для графического интерфейса, доступ к ресурсам компьютера и управление ими осуществляются с помощью мыши, путём выделения графических объектов и определенного набора манипуляцией с ними.

3. Осуществляет запуск прикладных программ на исполнение и корректное завершение их работы.

4. Отвечает за организацию данных на различных типах запоминающей среды, т.е. обеспечивает запись, хранение и чтение данных, а также отвечает за их целостность и сохранность.

Для реализации перечисленных функций операционная система содержит два базовых программных элемента: управляющие программы и программы управления данными.

Управляющие программы предназначены для организации упорядоченного эффективного потока задач в компьютере, включая процедуры планирования и собственно выполнения программ обработки. Где под программами обработки понимают компиляторы, интерпретаторы, сервисные программы и т.п.

Программы управления данными обеспечивают запись/выборку данных на различных типах запоминающей среды, отвечают за сохранность данных и выполняют функции инициализации (форматирования) запоминающей среды. Программы управления данными ориентированны на файловое представление данных на запоминающей среде. Файлом называют поименованную область, где хранится информация. Содержимое файлов может быть текстовым или в двоичном представлении. Текстовые файлы используют ASCII-кодировку, которая специально предназначена для непосредственного чтения содержимого файлов пользователем. Файлы, не являющиеся текстовыми называют двоичными. Каждый файл на запоминающей среде имеет обозначение, которое обычно состоит из двух частей: его имени и расширения. Однако это не обязательно, поскольку некоторые ОС совокупность имени и расширения воспринимают как имя файла. Имя и расширения файла кодируется ASCII-кодами самим пользователем или прикладными программами. При этом расширения может полностью отсутствовать. Однако на практике рекомендуется присваивать файлу расширения, поскольку оно описывает содержание файла, и позволяет пользователю достаточно просто ориентироваться в файловой структуре ПК. Кроме того, для многих приложений расширение является просто необходимым атрибутом для их нормальной работы.

Любая ОС в процессе своей работы опирается на процедуры (прерывания) BIOS – базовой системы ввода/вывода персонального компьютера, которая расположена в ПЗУ ПК и пользователю для модификации не доступна. BIOS представляет из себя набор подпрограмм (драйверов), каждая из которых отвечает за организацию взаимодействия между составными частями ПК на физическом уровне. Следовательно, ОС является надстройкой над BIOS, который вполне можно считать составной частью ОС.

В зависимости от назначения все ОС подразделяются на три класса:

- однопользовательские однозадачные ОС.

- однопользовательские многозадачные ОС.

- многопользовательские многозадачные ОС.

Первые из них позволяет работать одному пользователю только с одной задачей. Именно к этому классу относят дисковые операционные системы (DOS) (Disk Operation System).

К однопользовательским многозадачным системам относят ОС фирмы IBM OS/2 и OS/2 Warp, а также ОС WINDOWS от Microsoft. В этом их преимущества над DOS неоспоримы. Понятно, что, как правило, пользователю необходимо одновременно работать с несколькими программами. Например, в процессе работы с базой данных необходимо принять электронную почту, посчитать на калькуляторе или внести изменения в текстовый документ. Все это подразумевает возможность переключения между задачами. Переключение между задачами можно осуществлять “вручную”, а можно выполнить автоматически. Так, например, “ручной” переключатель был встроен в MS-DOS 5.0. в виде удобной диалоговой оболочки DOS shell. С её помощью можно было запустить несколько не резидентных программ. Однако, пока одна из запущенных задач работала, другие находились в неработающем состоянии (состоянии ожидания), выход из которого приостанавливал работу текущей. Широкое распространение ОС Microsoft Windows достаточно быстро вытеснила эту оболочку, и более поздние версии DOS её уже не имели.

Дело в том, что такие ОС, как Windows 3.1 и Windows for Workgroups 3.11 позволяют в некоторой степени решить проблему одновременного использования нескольких задач. Данное решение достигается с помощью так называемой не вытесняющей многозадачности, суть которой заключается в принудительном переключении одновременно запущенных программ. Как правило, это выполняется по прерыванию таймера: т.е. все запущенные задачи через фиксированные промежутки времени передают управление друг другу по своей инициативе. То есть данный режим не позволяет одновременно форматировать дискетку и работать с приложениями.

Невытесняющая многозадачность имеет ряд недостатков. Во-первых, пользователь не в состоянии изменять приоритеты запущенных задач и правильно распределять ресурсы компьютера. Во-вторых, при запуске плохо отлаженной программы может возникнуть её зависание, в результате которого данная программа не захочет делиться ресурсами ПК с другими задачами.

От этих недостатков освобождена вытесняющая многозадачность, которая реализована в таких ОС как OS/2, Windows и Windows NT, UNIX. Суть вытесняющей многозадачности заключается в следующем. Каждой запущенной программе или приложению ОС выделяется квант времени по прерыванию таймера, поэтому ни одно из запущенных приложений не будет обделено вниманием операционной системы. Поэтому в случае зависания одного из приложений работа всей системы может быть лишь только приостановлена, но целиком вывести из строя практически невозможно.

Из приведённого выше описания на первый взгляд не обнаруживается существенных отличий между вытесняющей и не вытесняющей многозадачностью. Однако они есть и существенны. Дело в том, что в случае не вытесняющей многозадачности переключение от одной задачи к другой зависит от состояния работающей задачи в ожидаемый момент переключения. Это обусловлено наличие общих областей адресного пространства памяти для всех запущенных приложений. Понятно, что одновременное использование общих областей памяти несколькими приложениями просто недопустимо.