Что такое операционная система и как она работает?¶
Основа конспекта, лекция — Что такое операционная система и как она работает Автор конспекта/статьи немного переработал и дополнил некоторые моменты: структуру и повествование, постарался дать более глубокое и последовательное разъясление, добавил как скаченные, так и созданные им лично схемы.
Цель конспекта — последовательно рассмотреть и объяснить принципы устройства и функционирования операционной системы, её основных компонентов и абстракций.
Что такое операционная система
Операционная система (ОС, OS) — это целый комплекс программного обеспечения, позволяющее управлять ресурсами устройства, на которое она установлена. Так, ОС полностью управляет всей начинкой/железом компьютера, ноутбука или, к примеру, смартфона. Она позволяет пользователю взаимодействовать с устройством и обеспечивает эффективное распределение вычислительных ресурсов между процессами.
ОС предоставляет разработчикам программного обеспечения простой интерфейс для создания программ, который значительно упрощает разработку. Важно отметить, что программы пишутся исключительно под отдельную OS. Подробно мы уже рассматривали это в материале — программа, что это.
В большинстве устройств именно операционная система является основной частью системного программного обеспечения. И, в зависимости от самой ОС, может предоставлять пользователю разный функционал. А чаще всего, к примеру, Windows позволяет пользователю самому устанавливать программное обеспечение и по желанию расширять возможности/функционал своего компьютера или ноутбука.
На данный момент самыми распространенными являются Windows и Unix, подобные системы, тот же Linux, Mac OS, Android, IOS и другие.
Интересно! Типы ОС мы подробно рассмотрели в материале — виды операционных систем. Там вы найдете всю нужную информацию с иллюстрированными картинками.
Стоит отметить, что не во всех устройствах используются ОС. К примеру, в простой технике она просто не нужна. Это те же магнитолы, простые приставки, кухонная техника. Т.е. в той, где по сути выполняется одна простая программа при включении.
А вот, если уже нужно выполнение нескольких разных программ, единый механизм хранения данных, вариативность и графический интерфейс, то ОС уже необходима.
Ядром операционной системы называется самая важная ее часть, которая управляет выполнением процессов и всеми ресурсами компьютера/устройства. Оно предоставляет запускаемым процессам доступ к этим ресурсам и координирует их работу.
Запуск компьютера
Все программы, подлежащие выполнению, должны находиться в оперативной памяти компьютера. После нажатия на кнопку включения компьютера, оперативная память не содержит никакой информации, и поэтому процессор обращается к специальной микросхеме – постоянному запоминающему устройству (ПЗУ) – для чтения команд начального загрузчика – BIOS (Basic Input Output System) .
BIOS начинает проверку исправности всех устройств компьютера, выводя на экран информацию о ходе проверки и подавая звуковой сигнал в случае обнаружения неисправностей. В случае успешной проверки BIOS считывает программу начальной загрузки ОС в оперативную память компьютера.
Загрузка операционной системы компьютера
Для хранения файлов операционной системы используются диски – внешние устройства долговременного хранения информации, встроенные – жёсткие диски, или съёмные – CD, DVD… Такие диски называются системными, и при их отсутствии компьютер не может быть запущен.
После успешной загрузки операционной системы в оперативную память управление передаётся командному процессору. Для ОС с графическим интерфейсом происходит его загрузка в оперативную память, иначе, появляется строка с приглашением ввода команд.
Компьютеры без операционных систем
Изначально в 70 – 80-ые годы на персональных компьютерах не было операционных систем. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) персональных компьютеров содержало некий простой язык программирования, например Бэйсик. И в момент загрузки процессор получал к нему доступ. Пользователь вводил команды с клавиатуры, язык программирования принимал их и выполнял. Это воспринималось некоторыми пользователями как работа с операционной системой.
При подключении к ПК магнитофона была возможность загрузки с него какой-нибудь программы, отключающей ПЗУ и берущей на себя управление компьютером аналогично игровым приставкам.
Первые дисковые операционные системы компьютера
С появлением устройств прямого доступа – дисководов – и подключением их к компьютеру процедура загрузки программ с их использованием потребовала существенного изменения. Магнитофон является устройством последовательного доступа, и поиск необходимой для загрузки программы заключался в перематывании кассеты. Для поиска требуемой программы на диске необходимо знать точный её адрес – номер дорожки и номер сектора на этой дорожке.
Для решения этой проблемы была создана программа которая преобразовывала имя файла программы её адрес на диске. Это давало возможность загрузки необходимых программ (файлов), используя их название. Программу нарекли дисковой операционной системой.
Впоследствии программу «научили» не только загрузке файлов в ПК, но и записи их на диск. А так же удалению с диска и копированию их с одного диска на другой. Автоматизация этих процессов устранила множество потенциальных ошибок и избавил от хранения информации о файлах на бумаге.
Неграфические операционные системы компьютера
Дальнейшее развитие операционных систем полностью связано с развитием аппаратного обеспечения. Появлялись новые съёмные устройства хранения информации – гибкие диски, жёсткие диски. Объёмы жёстких дисков позволяли теперь хранить тысячи файлов, что, безусловно, усложняло операционные системы. Для облегчения поиска файлов в них появились инструменты создания на дисках каталогов файлов и средства обслуживания этих каталогов. Таким образом создавалась файловая система ОС. И операционная система стала ответственной как за её создания, так и за обслуживание. С увеличением объёмов жёстких дисков в разы, были разработаны средства ОС, позволяющие делить физические жёсткие диски на логические диски меньших объёмов. Для более эффективной работы с огромными объёмами хранимой информации.
Увеличение объёмов обрабатываемой информации заставляло увеличивать и оперативную память компьютера. А так же рабочие характеристики процессоров, и операционные системы для работы со всё более мощными устройствами и всё более производительными процессорами.
Получившие широкое распространение в начале 80 – 90-х годах персональные компьютеры IBM PC были оснащены операционной системой MS DOS (версии MS DOS 1.0 – MS DOS 6.22)
Программы-оболочки
В течение 15 лет MS DOS была вне конкуренции. Столь продолжительный период работы с системой привёл к необходимости её усовершенствования или замены. Дело в том, что интерфейс работы с пользователем системы MS DOS командный, не графический. Усложнение аппаратных устройств, появление совершенно новых устройств приводило к увеличению команд операционной системы. А это очень нагружало пользователя запоминанием ещё большего числа команд со всеми необходимыми параметрами. Кроме того, ввод каждой команды требовал большого внимания, а, стало быть, и напряжения, и увеличения вероятности ошибки.
Назрела необходимость в разработке более удобного интерфейса пользователя. Появляются надстройки – программы-оболочки, запуск которых осуществляла операционная система и передавала им управление для работы с этой ОС.
Наибольшую популярность среди программ-оболочек получила оболочка Norton Commander, разработанная в Америке гениальным программистом Питером Нортоном .
В Norton Commander вся файловая система компьютера отображалась на экране в виде структуры дисков, каталогов и файлов. Работа с файловой структурой выполнялась с помощью меню команд. Которые запускались нажатием определённых клавиш, указанных здесь же для каждой команды. Это избавляло пользователя от запоминания всех команд и их параметров и утомительного ввода этих команд с клавиатуры.
И сейчас ещё пользуются программой Total Commander – современной реализацией Norton Commander. Но, как правило, используются более современные средства.
Графические оболочки
В компьютерах типа IВМ РС невозможно совмещение графического и текстового режимов работы с экраном. Для этого требуется переключение экрана только в один из них. Такой вариант до определённого времени удовлетворял потребности пользователей ПК. А так же предприятия и организации, использовавшие компьютер в служебных целях. Им в полне было достаточно работы в текстовом режиме. С расширением области применения компьютеров, в том числе, и как домашнего ПК. Встала задача создания графической ОС, позволяющей наглядно изображать информацию на экране. А так же управлять ею с помощью устройств-манипуляторов курсором, например, мышью.
Прототипами графической операционной системы были разработанные компанией Microsoft графические оболочки, работающие под управлением МS-DOS. (Windows 1.0, Windows 2.0, Windows 3.0, Windows 3.1, Windows 3.11) и называемые «средой Windows».
Linux – это надежность и безопасность везде
Эта операционная система (основанная на базе Unix) несколько отличается от предыдущей.
Главное сердце — это ядро, в котором установлена поддержка драйверов (для работы с другими устройствами). Главное понятие в данной ОС — это пакет, т.к. она полностью состоит из пакетов.
Если в виндовс каждое приложение занимает свою папку, то в Linux файлы лежат по разным папкам: запускающие программу находятся в одном месте, конфигурационные файлы, связанные с настройками программ, — в другой папке.
Такое хранение и расположение файлов путает пользователей, но, с точки зрения логики, такое разделение кажется разумным.
Осветим преимущества этой ОС:
- бесплатность системы (на сайте с выбранным дистрибутивом скачиваем необходимый образ, записываем на флешку и устанавливаем на компьютеры пользователей);
- программное обеспечение бесплатное (графические редакторы, текстовые и т.д.);
- модификация программ, если знаешь язык программирования, то можно смело писать собственные программы или изменять существующие;
- запуск программ и игр, предназначенных для системы windows, выполняется через эмуляторы (wine, виртуальные машины);
- благодаря архитектуре и сложной системе написания вирусов и активации их на Linux, она весьма надежна и безопасна, поэтому Unix-подобные системы стоят «на страже» большинства серверов.
Но и здесь не обойтись без минусов:
- неполная поддержка аппаратного обеспечения (видеокарт, аудиокарт, принтеров и т.д.), но ситуация постоянно улучшается, с каждым новым релизом поддерживается все больше устройств;
- меньшее количество игр и программ, разработчикам коммерческого ПО невыгодно вкладываться в бесплатные версии программ, поэтому они остаются в сегменте Windows;
- необходимость постоянного самообучения, при возникновении проблем с программой и драйверами ответы на вопросы необходимо искать на форумах, посвященных данной ОС, так как они неочевидны.
Выигрывает этот раунд Windows. Пользователи не захотят разбираться в новой системе, им нужен результат: «чтобы сразу все работало». Linux — это операционная система для любителей познавать новое.
Дистрибутивы Linux становятся все более «дружелюбными» к пользователю, предлагая приятный графический интерфейс, практичные менеджеры пакетов, пополняющийся комплекс игр и приложений (в начале использования новичкам подойдут дистрибутивы Ubuntu, Linux Mint).
Некоторые функции операционки
- Посылает команды процессору.
- Помещает данные в оперативку, с которыми будет работать процессор.
- Обеспечивает подключение интернета.
- Позволяет подключиться к Wi-Fi, другими словами — позволяет функционировать Wi-Fi модулю.
- Позволяет копировать файлы на диск, посмотреть содержимое папок, дисков, подключить флешку и скопировать данные на нее или обратный процесс.
Этот список можно продолжать бесконечно. Почему? Потому что ни одного действия вы не сможете сделать, если не будет установлена операционка. Она важнее любой программы, так как почти любая программа рассчитана на работу в самой операционки, вот такой парадокс.
Примеры операционных систем
Ноутбуки, планшеты и настольные компьютеры – на всех работают операционные системы, о которых вы, вероятно, знаете.
Как пример можно назвать версии Microsoft Windows (такие как Windows 10, Windows 8, Windows 7, Windows Vista, и Windows XP), macOS компании Apple (бывшая OS X), iOS, Chrome OS и варианты операционной системы с открытым кодом Linux.
В вашем смартфоне также работает операционная система, скорее всего это iOS от компании Apple или Android от Google. Оба этих названия известны всем, но вы можете и не предполагать, что это операционные системы.
Сервера, как те, на которых размещаются Интернет-сайты, которые вы посещаете, предоставляющие видео, которые вы смотрите, обычно работают на специальных операционных системах, разработанных и оптимизированных для работы специального программного обеспечения, требующегося для их функционирования. Примерами названий будут Windows Server, Linux, и FreeBSD.
Компьютерные операционные системы
Когда вы включаете питание компьютера, первой запускающейся программой становится набор инструкций, содержащийся в постоянной памяти компьютера (ПЗУ, ROM). Этот код тестирует системное аппаратное обеспечение и убеждается в том, что все работает корректно. Этот процесс называется самотестированием при запуске (POST, power-on self test). В его ходе осуществляется проверка процессора, памяти и базовой системы ввода-вывода (БСВВ, BIOS) на ошибки. Результаты тестирования сохраняются в специальной области памяти. Если самотестирование завершилось успешно, запускается размещенное в постоянной памяти программное обеспечение. Оно известно под именем BIOS. Это программное обеспечение начинает активацию жестких дисков компьютера. В большинстве современных компьютеров при активации жесткого диска находится первый фрагмент операционной системы: начальный загрузчик (bootstrap loader).
Начальный загрузчик является маленькой программой, у которой всего одна функция: загрузить в память операционную систему. Это позволит начать работу. В общем случае, загрузчик запускает небольшие программы-драйверы, которые взаимодействуют с различными аппаратными подсистемами и контролируют их. Все это располагается в той же памяти, которая содержит саму операционную систему, пользовательскую информацию и приложения. В движение приводится структура данных, содержащая огромное множество сигналов, индикаторов и синхронизаций, обеспечивающих взаимодействие в пределах и между подсистемами и приложениями компьютера. Затем контроль над компьютером переходит к операционной системе.
На этом мы поставим запятую, поскольку нам предстоит еще поговорить о том, какие группы задач выполняет типичная операционная система. Но это станет темой очередного повествования.
