Лекция №2
Основные понятия и принцип работы ОС
По назначению можно выделить три класса программных продуктов:
Системное программное обеспечение(SystemSoftware) – совокупность программ и программных комплексов предназначенных для обеспечения работы ПК и компьютерных сетей
Данный класс программных продуктов тесно связан с типом ПК и является его неотъемлемой частью. Программные продукты в основном ориентированы на квалифицированных пользователей – профессионалов в компьютерной области: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора. Однако знание базовой технологии работы с этим классом программных продуктов требуется и непрофессионалам. Программные продукты данного класса носят общий характер применения , независимо от специфики предметной области. К ним предъявляются высокие требования по надёжности и технологичности работы, удобству и эффективности использования.
Пакеты прикладных программ (applicationprogrampackage) – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определённого класса конкретной предметной области. Пакеты прикладных программ служат программным инструментарием решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей.
Инструментарий технологии программирования. – совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов. Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты, которые являются инструментальными средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все технологические этапы процесса проектирования, программирования (кодирования), отладки и тестирования создаваемых программ. Пользователями технологии программирования являются системные и прикладные программисты.
Системное програмное обеспечение
Структура системного программного обеспечения.
Системное программное обеспечение включает:
Базовое программное обеспечение;
Сервисное программное обеспечение.
Базовое программное обеспечение (basesoftware) – минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу. В него входят:
операционная система;
сетевая операционная система.
Сервисное программное обеспечение– программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя (программы диагностики работоспособности компьютера, антивирусные программы, программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физическом уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование данных на внешних носителях и др., программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации в файлах с целью уменьшения объёма памяти для её хранения,программы обслуживания сети.
Эти программы часто называются утилитами. (программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров)
Определение операционной системы
Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом.
Операционная система – совокупность программных средств, обеспечивающих управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем
Назначение ОС:
управление работой каждого блока ПК и их взаимодействием;
управление выполнением программ;
организацию хранения информации во внешней памяти;
взаимодействие пользователя с компьютером, т.е. поддержку интерфейса пользователя.
Функции ОС:
Виртуальная машина. Обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины;
Менеджер ресурсов.Повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.( планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс; отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно)
Реализация защитных механизмов. (Программы не должны иметь самостоятельного доступа к распределению ресурсов, что приводит к появлению привилегированных и непривилегированных команд. Привилегированные команды , например команды ввода-вывода, могут исполнятся только ОС. Говорят, что она работает в привилегированном режиме. Переход управления от прикладной программы к ОС сопровождается контролируемой сменой режима. Во-вторых, это защита памяти, позволяющая изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а ОС от программ пользователей. Если вычислительная система допускает работу нескольких пользователей, то необходимо обеспечить защиту от несанкционированного доступа к данным для сохранности данных каждого из них.)
Постоянно функционирующее ядро. Ядро операционной системы– модули, выполняющие основные функции операционной системы. Функции ядра:
обеспечивает приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, оперативная память, внешнее оборудование за счет использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам.
Внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса (переключение контекстов, загрузка-выгрузка страниц, обработка прерываний
Создание для приложений прикладной программной среды. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например открытия файла, получение системного времени и др. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями образуют интерфейс прикладного программирования – API.
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциямиОС, поэтому скорость их выполненияопределяет производительностьвсей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС всемодули ядраили большая их часть находятся в оперативной памяти, то есть являютсярезидентными. Остальные модули ОС выполняют менее обязательные функции и представляют собой обычные приложения в стандартном для данной операционной системе формате. Их называютвспомогательными модулямиоперационной системы. Вспомогательные модули обычно подразделяются на следующие группы:
Утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления, сопровождения компьютерной системы (сжатие дисков, архивация)
Системные обрабатывающие программы (, компиляторы, компоновщики, отладчики)
Программы предоставления пользователю дополнительных услуг (калькулятор, тестовые и графические редакторы)
Библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений (функции ввода-вывода, математические функции)
Часто бывает сложно провести границу между операционной системой и приложениями. Обычно решение о принадлежности некоторой программы операционной системе принимает производитель.
Для управления ходом выполнения приложений ОС должна иметь по отношению к приложениям определённые привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС. Код ядра операционной системы исполняется в привилегированном режимеработы процессора. Иногда это свойство служит основным определением понятия ядра. Обеспечить привилегии ОС невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Как минимум аппаратура должна поддерживать 2 режима: привилегированный или режим ядра (kernelmode), он же режим супервизора (supervisormode) и пользовательский (usermode). Между количеством уровней привилегий реализуемых аппаратно и количеством уровней привилегий, поддерживаемых ОС нет прямого соответствия. Так на базе 4 уровней,
обеспечиваемых процессорами Intel(кольца защиты) (уровень 0: ядро операционной системы, уровень 1: драйвера ОС и утилиты, уровень 2: интерфейс О системы программирования и базы данных; С, уровень 3: прикладные программы). ОСOS/2 строит трёхуровневую систему привилегий (уровни 0 (для ядра системы), 2 (для процедур ввода-вывода) и 3 (для прикладных программ), аWindowsNT,Unixдвухуровневую (0 (для ядра системы и драйверов) и 3 (для всего остального).
С другой стороны, если аппаратура поддерживает хотя бы 2 уровня привилегий, то ОС программным способом может создать сколь угодно развитую систему привилегий.
Приложенияставятся вподчинённое положениеза счётзапрета выполненияв пользовательском режименекоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступу к механизмам распределения памяти и защиты памяти др.. выполнение некоторых инструкций запрещается безусловно (напр.переход в привилегированный режим), а другие запрещается выполнять при определённых условиях (напрю инструкции ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе к контролёру жесткого диска, который хранит данные общие для ОС и всех приложений и разрешены при доступе к последовательному порту выделенному в монопольное владение для определённого приложения.
Классификация ОС
Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.