2010/04/15 15:40:00

Операционные системы

Операцио́нная систе́ма, ОС (англ. Operating system) — базовый комплекс управляющих и обрабатывающих программ, обеспечивающий эффективное управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод-вывод данных и управление ими, выполнение прикладных программ и утилит, а также взаимодействие с пользователем.

Содержание

ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации аппаратного обеспечения, предоставляя разработчикам программного обеспечения минимально необходимый набор функций.

Понятие операционной системы

Операционные системы являются основой программного обеспечения вычислительных машин (ВМ)и их систем – вычислительных систем (ВС). Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению ее сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, распределяющим и управляющим всеми компонентами и ресурсами ВМ и ВС с целью обеспечения максимальной эффективности их функционирования.

Каковы причины смены ОС в компании?

Решение сменить операционную систему приходит в виду разных обстоятельств.

Во-первых, когда новая версия приложения, используемая для решения повседневных задач, требует функций новой ОС. В поддержке же других версий приложений (для старых ОС) разработчик не заинтересован.

Во-вторых, компания хочет предоставить сотрудникам возможность работы с корпоративными ресурсами, например, с мобильных устройств, а ограничения в ОС не дают такой функциональности. Что, в свою очередь, сказывается на производительности.

И, в-третьих, самая главная причина перехода на новые версии ОС, это угрозы информационной безопасности и как следствие риск потери информации. Особенно остро этот вопрос стоит в компаниях, работающих с персональными данными пользователей. Согласно федеральному закону о персональных данных (ФЗ-152) оператор должен обеспечить техническую защиту вверенных ему данных. В разрезе операционной системы это означает, что оператор обязан изучить бюллетень безопасности, оценить риски и установить обновления безопасности, выпускаемые разработчиком, в противном случае операционная система становится уязвимой для угроз, описанных в бюллетене.

Основные принципы построения операционных систем

  • Принцип модульности - обособление составных частей ОС в отдельные модули (функционально законченные элементы системы), выполненное в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами;
  • Принцип генерируемости ОС - определяет такой способ исходного представления ядра ОС и основных компонентов ОС, который позволяет производить их настройку, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач;
  • Принцип функциональной избыточности - учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами;
  • Принцип виртуализации - представляет структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов и позволяет использовать единую централизованную схему распределения ресурсов, организуя тем самым работу виртуальной машины;
  • Принцип независимости программ от внешних устройств - связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее исполнения;
  • Принцип совместимости - способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы;
  • Принцип открытой и наращиваемой ОС - позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули;
  • Принцип обеспечения безопасности при выполнении вычислений - является желательным свойством для любой многопользовательской системы;

Архитектура операционной системы

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой ОС. В составе ОС различают три группы компонентов:

Большинство программ, как системных (входящих в ОС), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ядерным ресурсам, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что ОС (точнее, её 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 включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Большинство современных операционных систем представляет собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Один из вариантов структуризации ОС - выделение монолитную и микроядерную архитектуры.

Функции

Основные функции (простейшие ОС):

  • Загрузка приложений в оперативную память и их выполнение;
  • Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода);
  • Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память);
  • Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как Жёсткий диск, Компакт-диск и т. д.), как правило с помощью файловой системы;
  • Пользовательский интерфейс;
  • Сетевые операции, поддержка стека протоколов

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

История ОС насчитывает примерно полвека. Она во многом определялась и определяется развитием элементной базы и вычислительной аппаратурой.

  • Первое поколение.

40-е годы. Первые цифровые вычислительные машины без ОС. Организация вычислительного процесса решается программистом с пульта управления.

  • Второе поколение.

50-е годы. Появление прообраза ОС - мониторных систем, реализующих систему пакетной обработки заданий.

  • Третье поколение.

1965-1980 г.г. Переход к интегральным схемам. IBM/360. Реализованы практически все основные концепции, присущие современным ОС: разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы. Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера: привилегированный и пользовательский режимы, средства защиты областей памяти, развитой системы прерываний.

  • Четвертое поколение.

Конец 70-х. Создан рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. В 1983 году он был стандартизирован. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой Интернет, сделала этот стек протоколов основным стеком для большинства ОС.

80-е годы. Появление персональных компьютеров. Бурный рост локальных сетей. Поддержка сетевых функций стала необходимым условием. Приняты основные стандарты на коммуникационные технологии локальных сетей: Ethernet, Token Ring, FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях.

Начало 90-х. Практически все ОС стали сетевыми. Появились специализированные сетевые ОС (например IOS, работающая в маршрутизаторах)

Последнее десятилетие. Особое внимание корпоративным сетевым ОС, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования.

ОС на мировом рынке

С 1990-х наиболее распространёнными операционными системами для персональных компьютеров и серверов являются:

ОС для корпоративного сектора

Эффективная работа IT-инфраструктуры любой современной компании невозможна без грамотно выбранной серверной операционной системы.

Назначение серверной операционной системы — это управление приложениями, обслуживающими всех пользователей корпоративной сети и внешних пользователей (СУБД, средства анализа и управления сетями, службы каталогов, средства обмена сообщениями и групповой работы, Web-серверы, почтовые серверы, корпоративные брандмауэры, серверы приложений, серверные части бизнес-приложений).

Выбор серверной операционной системы и аппаратной платформы для нее в первую очередь определяется кругом решаемых задач, и тем, какие требования предъявляются к ее производительности, стабильности и доступности. Основными игроками на рынке серверных операционных систем являются ОС семейств Windows и Unix.

Операционные системы семейства Windows

Cерверные версии операционной системы Windows сегодня применяются довольно широко — благодаря удобству администрирования и невысокой совокупной стоимости владения.

Операционные системы семейства UNIX

UNIX — группа многозадачных многопользовательских операционных систем. В данный момент существует большое количество вариаций ОС в данной сфере - как коммерческих, так и с открытым кодом.

Большинство российских серверов работают под управлением тех или иных клонов от Unix. По данным выборочного исследования, проведенного порталом RuMetrika (данные за 2006 г. на российских серверах безусловно лидирует Free BSD (53%), на втором месте Linux (32%) , количество серверов, на которых установлена ОС Windows составило 9%, реже встречается Solaris - всего 5%.

Распределение серверных ОС в России и в мире 2006

«Unix», стандартизация ОС и POSIX

Задуманная и реализованная в 1969 году Кеном Томпсоном при участии нескольких коллег (включая Денниса Ричи и Брайана Кернигана), ОС «Unix» («Unix»; первоначально «UNICS», что обыгрывало название «MULTICS») вобрала в себя многие черты более ранних ОС, но обладала целым рядом свойств, отличающих её от большинства предшественниц:

  • компонентная архитектура: принцип «одна программа — одна функция» плюс мощные средства связывания различных программ для решения возникающих задач («оболочка»);

  • минимизация ядра (кода, выполняющегося в «реальном» («привилегированном») режиме процессора) и количества системных вызовов;

  • независимость от аппаратной архитектуры и реализация на машиннонезависимом языке программирования (язык программирования «Си» стал «побочным продуктом» разработки «Unix»);

  • унификация файлов.

Благодаря конкурентности реализаций архитектура ОС «Unix» стала вначале фактическим отраслевым стандартом, а затем обрела статус и стандарта юридического — ISO/IEC 9945.

ОС, следующие стандарту или опирающиеся на него, называют «POSIX-совместимыми»

Стандартизация ОС гарантирует возможность безболезненной замены самой ОС и/или оборудования при развитии вычислительной системы или сети и дешёвого переноса прикладного программного обеспечения (строгое следование стандарту предполагает полную совместимость программ на уровне исходного текста; из-за профилирования стандарта и его развития некоторые изменения бывают всё же необходимы, но перенос программы между POSIX-совместимыми системами обходится на порядки дешевле, чем между альтернативными), а также преемственность опыта пользователей.

Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное разворачивание Интернета в 90-х годах.

«Post Unix» архитектуры ОС

Коллектив, создавший ОС «Юникс», попытался позднее повторить свой успех, обобщив и дополнив исходную концепцию. Таким образом появились ОС «Plan9» и «Inferno», не получившие, впрочем, широкого распространения..

Позднее на основе «Plan9» в Испании были разработаны ОС «Off++» и «Plan B», носящие экспериментальный характер.

К попыткам создать постюниксовскую архитектуру можно также отнести разработку системы программирования и операционной среды «Оберон» в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH Zurich) под руководством проф. Никлауса Вирта.