Операционные системы

Презентация к уроку:

Операционная система

Виды программного обеспечения

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение (ПО, software) и оборудование или аппаратное  обеспечение (hardware). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО.

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа (приложение, application). 

Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word), графические редакторы (Paint, Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server), браузеры (Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением (application software).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio.

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс(способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы, выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие (архивирование) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов (system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface (интерфейс прикладного программирования).

Операционные системы

Операционная система — комплекс программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, организующий работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющий ввод и вывод данных.

На сегодняшний день операционная система — это первый и основной набор программ, загружающийся в компьютер. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например предоставление общего пользовательского интерфейса.

Компоненты вычислительной системы

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Без установленной операционной системы появится только черный экран и куча загадочных букв и цифр.Всё, что мы видим, когда работаем за компьютером, работа программ — это труды операционной системы. Она является фундаментом для всех действий, а кроме того — посредником между пользователем и компьютером: упрощает жизнь нам, показывая разные кнопки и папки, на которые можно нажимать, и «общается» с компьютером на его сложном языке, переводя ему, что мы хотим сделать. Операционная система контролирует и соединяет в единый организм все подключенные устройства.

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

• обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
• управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
• управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
• управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
• предоставление пользовательского интерфейса;
• обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
• организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer).

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур. В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

• монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
• микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
• гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

• системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
• пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

• текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
• графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Интерфейс MS DOS - Ос с текстовым интерфейсом

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

По количеству одновременно решаемых задач:

• однозадачные (single-tasking operating systems);
• многозадачные (multitasking operating systems).

По количеству одновременно работающих пользователей:

• однопользовательские (single-user operating systems);
• многопользовательские (multi-user operating systems).

По типу лицензии:

• открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
• проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.

По области применения:

• операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
• операционные системы серверов (server operating systems);
• операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
• операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
• встроенные операционные системы (embedded operating systems);
• операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

ОС Windows

 Microsoft Windows – операционные системы корпорации Microsoft, различные версии которых предназначены для широкого класса устройств – от суперкомпьютеров до встроенных систем. В настоящее время Microsoft Windows установлена на большинстве персональных компьютеров: по данным сайта анализа веб трафика StatCounter (http://gs.statcounter.com) операционные системы Windows (версий XP, Vista, 7) в августе 2012 года были установлены на 88% компьютеров в мире; в то же время по данным компании веб-аналитики Net Applications (http://marketshare.hitslink.com) Windows занимает 92% рынка настольных компьютеров и ноутбуков.

В настоящее время существует несколько семейств (family) операционных систем Windows, предназначенных для использования на разных типах компьютеров:

• семейство клиентских операционных систем Windows NT (Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8 и др.);
• семейство серверных операционных систем Windows NT Server (Windows Server 2003, Windows Server 2008 и др.);
• семейство мобильных операционных систем Windows Mobile и Windows Phone (Windows Mobile 6, Windows Phone 7 и др.);
• семейство встроенных операционных систем реального времени Windows CE (Windows CE 7.0 и др.).

Интерфейс Windows 95

Кроме того, в прошлом выпускались 16 разрядные операционные системы (Windows 1.0, Windows 2.х, Windows 3.х) и семейство операционных систем Windows 9x (Windows 95, Windows 98, Windows Me).

Подробнее смотрите в видео "Эволюция операционных систем":

Windows 8

Windows 8 – новейшая операционная система от корпорации Microsoft, предназначенная для использования на персональных компьютерах, в том числе с сенсорными дисплеями.

Разработка Windows 8 началась в 2009 году и впервые система была анонсирована в январе 2011 года. Официальная дата начала продаж назначена на 26 октября 2012 года.

Самым заметным отличием новой системы от Windows 7 является, конечно, интерфейс Modern UI, который используется при старте системы вместо привычного рабочего стола.

Интерфейс Modern UI

 Принцип, используемый в этом интерфейсе, – на первом месте содержание, а не графическое оформление. Поэтому в Modern UI минимизировано использование элементов интерфейса – кнопок и меню; вместо иконок используются плитки (tiles), внутри которых текст выводится при помощи легко читаемых шрифтов, а для динамичного отображения информации широко используется анимация.

Традиционный рабочий стол также присутствует – его можно вызвать, щелкнув на плитку Desktop. Обратно к интерфейсу Modern UI можно вернуться, подведя указатель мыши в левый нижний угол экрана (один из четырех "активных углов") или нажав кнопку Windows на клавиатуре.

Облачки слов

Устройства ввода. Клавиатура и мышь

Результаты исследования "Как усовершенствовать клавиатуру?"

Фамилия, имя	Оценка
Ключников и Морохова	11
Лузганова Котерина	??
Сорокин, Овдиенко	11
КОСТЫРИН ИГОРЬ	9
Левенец	8
Рожко и Трытяк	9
Кристина Робота и Аня Стасейчук	11
Круцяк Филоненко	6
Рудаков Никита Денисов Никита	11
Пилипенко и Креминь	10
Льовушкина и Низимова	11
Приймак і Рубцов	9
Полушин МАксим и Маха                ГОРБаРЕНКО	11
Дінькаєва і Пастернак	11

Внешняя память

Откройте форму "Виды памяти" и пройдите тест.

Результаты тестирования:

Фамилия, имя	Оценка
Рожко Трытяк	9
Стасейчук Анна та Робота Кристина	8
Круцяк,Філоненко	8
Овдієнко Левенець	7
Рудаков Никита Денисов Никита	9
костырин игорь	9
Мария Турло, Лузганова Катя	6
Довгань	11
Декун Марк и ПОЛУШИН Максим	6
Рубцов Дмитро і Приймак Евгеній	9
Пастернак и Жмур	11
Динькаева Пилипенко	8
Артур Голев та Влад Ключников	9
ГОРБАРЕНКО МАРИЯ	8
Олещенко Морохова	10
Левушкина Катерина и Низимова Дарина	10

Внутренняя память

Откройте таблицу общего доступа "Внешняя память".

Таблица "Внешняя память" 1 группы
Таблица "Внешняя память" 2 группы

Так как компьютер моделирует все информационные функции человека, то он должен иметь память для хранения информации. Память в компьютере используется нескольких типов, отличающихся по своему функциональному назначению, а также конструктивно. Рассмотрим память компьютера, которая по отношению к процессору является внутренней.

Внутренняя память компьютера предназначена для хранения программ и данных, с которыми процессор непосредственно работает, пока включен компьютер. В современных компьютерах элементы внутренней памяти изготавливаются на микросхемах.

Различают оперативную и постоянную внутреннюю память.

В оперативной памяти хранятся те программы и данные, с которыми вы работаете в данный момент. При выключении компьютера информация в оперативной памяти не сохраняется. Например, вы работаете с учебной программой по русскому языку, записанной на лазерном диске. Процессор загружает программу и все необходимые данные с этого диска в оперативную память и только после этого может их обработать.Процессор считывает команды и данные из оперативной памяти и записывает в нее результаты. После окончания работы с программой и выключения компьютера все данные из оперативной памяти исчезнут.

Таким образом, основное свойство оперативной памяти — то, что она является энергозависимой, т. к. при отключении энергии данные в ней не сохраняются.

Существуют программы для управления основными устройствами компьютера, которые не должны теряться при отключении энергии. Они хранятся в постоянной внутренней памяти компьютера. Эту информацию процессор может считывать, а изменять не может.

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

В ячейку можно записать только 0 или 1, т. е. 1 бит информации. Такая ячейка так и называется – “бит”.

Это наименьшая частица памяти компьютера и в связи с этим память имеет битовую структуру, которая определяет первое свойство оперативной памяти – дискретность.Бит является слишком маленькой единицей информации, поэтому биты объединили в группы по 8 и получили байт.

Каждый байт получает порядковый номер – адрес. Адресуемость – второе свойство оперативной памяти. Нумерация начинается с нуля.Таким образом, память можно представить себе в виде многоквартирного дома, в котором квартиры – это байты, а номер квартиры – адрес. Чтобы найти нужную информацию, необходимо знать адрес байта, в котором она хранится. Именно так поступает процессор, когда обращается за данными и программам к оперативной памяти.

Рассмотрим физический принцип действия оперативной памяти. С этой точки зрения различают динамическую память (DRAM) и статистическую память (SRAM).

Оба вида памяти запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации, и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость, сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается в пользу динамической памяти. И все же быстродействующая статическая память в современно компьютере тоже обязательно есть – кэш-память.

Модули оперативной памяти

Оперативную память в компьютере размещают на стандартных панельках, называемых модулями.

Модули вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Такая конструкция облегчает процесс замены или наращивания памяти. Важнейшей характеристикой модулей ОЗУ является их быстродействие, т.е. у памяти есть своя скорость работы. У современных модулей скорость доступа к информации порядка 10 нс.

Первую свою команду процессор находит в памяти, которая в отличие от магнитных и оптических дисков является внутренней и, в отличии от ОЗУ , энергонезависимой, т.е. хранит информацию постоянно, даже после выключения компьютера. В ПЗУ хранится информация об устройствах компьютера, т.е. параметры и характеристики монитора, жесткого диска, мыши т.д. для того, чтобы при включении компьютера, прежде чем начать работу, можно было убедиться, что все они работоспособны.

Постоянная память на материнской плате

CMOS – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки расположенной на материнской плате. Зарядки батарейки хватает на несколько лет. Наличие такого вида памяти позволяет отслеживать время и календарь, даже если компьютер выключен.

Процессор

ПРОЦЕССОР

Read more publications on Calaméo

Материнская плата – самая большая плата компьютера. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так называемые шины. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – так называемый чипсет.

Процессор – основная микросхема компьютера. Все вычисления выполняются в ней. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС является большой не по размеру, а по количеству элементов. Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество функциональных элементов, размеры которых составляют всего около 0.13 микрон (1 микрон = 10-6 м). Например, в процессоре Pentium 4 их около 42 миллионов.

Основная характеристика процессора – тактовая частота (измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц)). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Так, например, при тактовой частоте 2000 МГц процессор может за одну секунду изменить свое состояние 2000 миллионов раз.

Единственное устройство, о существовании которого процессор “знает от рождения” – оперативная память – с нею он работает совместно.

Смотрите моделирование процесса производства процессора в видео фирмы Intel:

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Процессор имеет кэш-память - массив сверхбыстрой оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером системной памяти и процессором. В этом буфере сохраняются блоки данные после того, как их считал процессор, а потом он выполняет команду над данными.

Внутреннее устройство процессора

1. металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (то есть внутри самого процессора).
2. сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней - тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. 
3. специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки - на ее обратной стороне есть большое количество золотистых "точек" - это контакты. Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается "мостик" между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Процессор состоит из ячеек, в которых обрабатываются данные. Ячейки процессора называют регистрами. Регистры могут быть восьмиразрядные (в такой регистр помещаются 8 бит, т.е. 1 байт), шестнадцатиразрядные (в такой регистр помещается два байта или говорят машинное слово), 32-разрядные (помещается двойное слово). Разные регистры процессора имеют разное назначение. Для сохранения данных и результатов используются регистры данных . Для хранения адреса команды - счётчик команд. Для хранения команды – регистр команд. Для хранения адреса данных адресный регистр. Существуют специальные регистры для самопроверок процессора.

Машинные команды, которые обрабатывает процессор состоят из двух основных частей:

Код операции

адресная часть

Код операции показывает, какую именно операцию из системы команд процессора надо выполнить, а в адресной части содержится адрес данных, над которыми будет выполняться эта операция.

К процессору подходят магистрали передачи сигналов:

• адресная шина - соединяет процессор с оперативной памятью;
• шина данных - по ней в регистры процессора передаётся содержимое ячеек памяти и отправляются результаты обработки назад в оперативную память;
• шина управления.

Для хранения адреса команды - счётчик команд. Первым делом процессор считывает из счётчика команд адрес команды.

Размеры регистров (в битах) определяют разрядность процессора.

Разрядность процессора и его тактовая частота - это основные характеристики процессора, от которых зависит производительность компьютера. Для хранения команды у процессора существует -регистр команд. Когда процессор знает адрес команды он считывает слово -команду. 

 Подробнее смотрите в видео "Как делают процессоры":