Содержание
Существуют две группы определений операционных систем: «совокупность программ, управляющих оборудованием» и «совокупность программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который, однако, становится ясен только при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны операционные системы.
Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом) и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС, запуская по включении программу, записанную на вставленном в устройство катридже или компакт-диске.
Многие встроенные компьютеры и даже некоторые игровые приставки на самом деле работают под управлением своих ОС. Мы не будем подробно останавливаться на этих классах вычислительных систем. Тем не менее, ответ на вопрос, почему это так, к концу этого раздела должен быть в общих чертах понятен.
Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:
Вычислительная система используется для различных задач, причем программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в обмене данными. Из этого следует необходимость в универсальном механизме хранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на нее реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции.
Различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране требуют исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций).
Между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей.
Необходима возможность имитации одновременного исполнения нескольких программ на одном компьютере, осуществляемой с помощью приема, известного как разделение времени. При этом специальный компонент, называемый планировщиком, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам).
Наконец, оператор должен иметь возможность как или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы).
Таким образом, современные универсальные ОС можно охарактеризовать как 1) использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным), 2) многопользовательские (с разделением полномочий), 3) многозадачные (с разделением времени).
Для обеспечения многозадачности и распределения полномочий необходима иерархия привилегий внутри самой ОС. В составе ОС различают три группы компонентов:
ядро, содержащее планировщик, драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием, сетевую подсистему, файловую систему;
системные библиотеки и
оболочку с утилитами.
Большинство программ, как системных (входящих в ОС), так и прикладных, исполняются в непривилегированном (пользовательском) режиме и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также к ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что ОС (точнее, ее ядро) управляет оборудованием.
В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлеворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.