Кафедра Автоматизации технологических процессов и производств
| Отчет по лабораторной работе № 2 |
| Ассемблер |
| (название лабораторной работы) |
| Выполнил | ||
| студент гр. | АТП-12 | |
| Щелёв И.И. | ||
| (подпись) | (Ф.И.О.) | |
| Проверил преподаватель | ||
| Сташков С.И. | ||
| (подпись) | (Ф.И.О.) | |
Пермь 2013
Цель работы
Познакомиться с операционными системами. Изучить структуру, функции и место в структуре ЭВМ.
Теоретические сведения
Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.
Операционная система — комплекс программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, организующий работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющий ввод и вывод данных.
В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.
Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.
В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).
Функции
1. Основные функции:
А) Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
Б) Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
В) Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
Д) Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
Е) Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
Ё) Обеспечение пользовательского интерфейса.
Ж) Сохранение информации об ошибках системы.
2. Дополнительные функции:
А) Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
Б) Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
В) Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
Г) Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
Д) Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
Существуют две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система.
Есть приложения вычислительной техники, для которых операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях, простейших сотовых телефонах.
Операционные системы нужны, если:
1) вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Современные системы предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
2) различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий;
3) между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
4) необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере, осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);
5) оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды — оболочка и наборы утилит — они могут являться частью операционной системы.
Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:
1) использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
2) многопользовательские (с разделением полномочий),
3) многозадачные (с разделением времени).
Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе.
Компоненты операционной системы:
A. Загрузчик
B. Ядро
C. Командный процессор (интерпретатор)
D. Драйверы устройств
E. Интерфейс
I. Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера.
Загрузчик операционной системы:
1) обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера;
2) приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы;
3) загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы;
4) формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы;
5) передаёт управление ядру операционной системы.
На компьютерах архитектуры IBM PC запуск загрузчика осуществляется программным обеспечением BIOS, записанной в ПЗУ компьютера.
II. Ядро — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.
Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.
III. Оболочка операционной системы (от англ. shell — оболочка) — интерпретатор команд операционной системы, обеспечивающий интерфейс для взаимодействия пользователя с функциями системы.
В общем случае, различают оболочки с двумя типами интерфейса для взаимодействия с пользователем: текстовый пользовательский интерфейс (TUI) и графический пользовательский интерфейс (GUI).
Текстовый пользовательский интерфейс, ТПИ (англ. Text user interface, TUI; также Character User Interface, CUI) — разновидность интерфейса пользователя, использующая при вводе-выводе и представлении информации исключительно набор буквенно-цифровых символов и символов псевдографики. Характеризуется малой требовательностью к ресурсам аппаратуры ввода-вывода (в частности, памяти) и высокой скоростью отображения информации, поэтому широко использовался на начальном этапе развития вычислительной техники. Также, его разновидность - интерфейс командной строки - имеет отдельные преимущества в юзабилити перед графическим интерфейсом. Поэтому программы, основанные на ТПИ, имеют некоторое распространение до настоящего времени, особенно в специфических сферах и на маломощном оборудовании. Недостатком подобного типа интерфейса является ограниченность изобразительных средств по причине ограниченности количества символов, включённых в состав шрифта, предоставляемого аппаратурой.
Графический интерфейс пользователя (ГИП), графический пользовательский интерфейс (ГПИ) (англ. Graphical user interface, GUI; сленг. ГУИ) — разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы интерфейса (меню, кнопки, значки, списки и т. п.), представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.
В отличие от интерфейса командной строки, в ГПИ пользователь имеет произвольный доступ (с помощью устройств ввода — клавиатуры, мыши, джойстика и т. п.) ко всем видимым экранным объектам (элементам интерфейса) и осуществляет непосредственное манипулирование ими. Чаще всего элементы интерфейса в ГИ реализованы на основе метафор и отображают их назначение и свойства, что облегчает понимание и освоение программ неподготовленными пользователями.
IV. Драйвер (англ. driver, мн. ч. дра́йверы) — компьютерная программа, с помощью которой другие программы (обычно операционная система) получают доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как видеокарта или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства.
В общем случае драйвер не обязан взаимодействовать с аппаратными устройствами, он может их только имитировать, предоставлять программные сервисы, не связанные с управлением устройствами, либо не делать ничего.
Драйвер состоит из нескольких функций, которые обрабатывают определенные события операционной системы. Обычно это 7 основных событий:
1) Загрузка драйвера. Тут драйвер регистрируется в системе, производит первичную инициализацию и т. п.
2) Выгрузка. Драйвер освобождает захваченные ресурсы — память, файлы, устройства.
3) Открытие драйвера. Начало основной работы. Обычно драйвер открывается программой как файл, функциями CreateFile() в Win32 или fopen() в UNIX-подобных системах.
4) Чтение.
5) Запись: программа читает или записывает данные из/в устройство, обслуживаемое драйвером.
6) Закрытие: операция, обратная открытию, освобождает занятые при открытии ресурсы и уничтожает дескриптор файла.
7) Управление вводом-выводом (англ. IO Control, IOCTL). Зачастую драйвер поддерживает интерфейс ввода-вывода, специфичный для данного устройства. С помощью этого интерфейса программа может послать специальную команду, которую поддерживает данное устройство.
Существующие операционные системы
Microsoft Windows
Microsoft Windows — семейство операционных систем корпорации Майкрософт (Microsoft), ориентированных на применение графического интерфейса при управлении. Изначально были всего лишь графическими надстройками для MS-DOS.
Семейство Windows 9x
Включает в себя Windows 95, Windows 98 и Windows Me.
Windows 95 была выпущена в 1995 году. Её отличительными особенностями являются: новый пользовательский интерфейс, поддержка длинных имён файлов, автоматическое определение и конфигурация периферийных устройств Plug and Play, способность исполнять 32-битные приложения и наличие поддержки TCP/IP прямо в системе. Windows 95 использует вытесняющую многозадачность и выполняет каждое 32-битное приложение в своём адресном пространстве.
Операционные системы этого семейства не являлись безопасными многопользовательскими системами как Windows NT. Таким образом, «повисание» 16-битного приложения немедленно блокировало всю ОС.
Программный интерфейс был подмножеством Win32 API, поддерживаемым Windows NT, но имел поддержку юникода в очень ограниченном объёме. Также в нём не было должного обеспечения безопасности (списков доступа к объектам и понятия «администратор»).
В составе Windows 95 присутствовал MS-DOS 7.0, однако его роль сводилась к обеспечению процесса загрузки и исполнению 16-битных DOS приложений. Исследователи заметили, что ядро Windows 95 — VMM — обращается к DOS под собой, но таких обращений довольно мало, главнейшая функция ядра DOS — файловая система FAT — не использовалась.
Windows NT — линейка операционных систем (ОС) производства корпорации Microsoft и название первых версий ОС.
Windows NT была разработана после прекращения сотрудничества Microsoft и IBM над OS/2, развивалась отдельно от других ОС семейства Windows (Windows 3.x и Windows 9x) и, в отличие от них, позиционировалась как надёжное решение для рабочих станций (Windows NT Workstation) и серверов (Windows NT Server). Windows NT дала начало семейству операционных систем, в которое входят: собственно Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows 7, Windows Server 2008 R2, Windows 8, Windows Server 2012.
В основу семейства Windows NT положено разделение адресных пространств между процессами. Каждый процесс имеет возможность работать с выделенной ему памятью. Однако он не имеет прав для записи в память других процессов, драйверов и системного кода.
Семейство ОС для карманных компьютеров
Это семейство операционных систем реального времени было специально разработано для мобильных устройств. Поддерживаются процессоры ARM, MIPS, SuperH и x86. В отличие от остальных операционных систем Windows, операционные системы этого семейства продаются только в составе готовых устройств, таких как смартфоны, карманные компьютеры, GPS-навигаторы, MP3-проигрыватели и другие.
В настоящее время под термином «Windows CE» понимают только ядро операционной системы. Например, Windows Mobile 5.0 включает в себя ядро Windows CE 5.0, хотя в некоторых устройствах ядро Windows CE используется и без Windows Mobile.
§ Windows CE
§ Windows Mobile
§ Windows Phone 7
2. UNIX — семейство переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.
Первая система UNIX была разработана в 1969 году в подразделении Bell Labs компании AT&T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем. Юридически лишь некоторые из них имеют полное право называться «UNIX»; остальные же, хотя и используют сходные концепции и технологии, объединяются термином «UNIX-подобные» (англ. UNIX-like). Для краткости в данной статье под UNIX-системами подразумеваются как истинные UNIX, так и UNIX-подобные ОС.
Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя:
1) использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;
2) широкое применение утилит, запускаемых в командной строке;
3) взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства — терминала;
4) представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия как файлов;
5) использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу.
В настоящее время UNIX-системы используются в основном на серверах, а также как встроенные системы для различного оборудования. На рынке ОС для рабочих станций и домашнего применения лидером является Microsoft Windows, UNIX занимает только второе (Mac OS X), третье (GNU/Linux) и многие последующие места.
UNIX-системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения. Также, в ходе разработки Unix-систем был создан язык Си.
Среди примеров известных UNIX-подобных операционных систем: BSD, Solaris, Linux, Android, MeeGo, NeXTSTEP, Mac OS X, Apple iOS.
3. GNU/Linux или просто Linux — Unix-подобная операционная система, созданная и распространяющаяся в соответствии с моделью разработки свободного и открытого программного обеспечения. В отличие от других ОС, Linux не имеет единой «официальной» комплектации, а распространяется в виде ряда различных готовых дистрибутивов, имеющих свой набор прикладных программ и уже настроенных под конкретные нужды пользователя.
Таким образом, в 1991 году была создана полноценная работающая свободная операционная система GNU/Linux или просто Linux. В настоящее время системы Linux лидируют на рынках смартфонов (Android занимает 64,1 % рынка. Многие производители ПО традиционно выпускают его только для трёх ОС — Windows, Mac OS и Linux.
Большинство пользователей для установки Linux используют дистрибутивы.
Дистрибутив — это не просто набор программ, а ряд решений для разных задач пользователей, объединённых едиными системами установки, управления и обновления пакетов, настройки и поддержки.
Можно выделить несколько основных областей, где нередко можно встретить Linux:
a. Компьютеры нестандартной архитектуры (например, суперкомпьютеры) — из-за возможности быстрой адаптации ядра операционной системы и большого количества ПО под нестандартную архитектуру.
b. Системы военного назначения (например, МСВС РФ) — по соображениям безопасности.
c. Компьютеры, встроенные в различные устройства (банкоматы, терминалы оплаты, мобильные телефоны, маршрутизаторы, стиральные машины и даже беспилотные военные аппараты) — из-за широких возможностей по конфигурированию Linux под задачу, выполняемую устройством, а также отсутствия платы за каждое устройство.
d. Массовые специализированные рабочие места (например, тонкие клиенты, нетбуки) — также из-за отсутствия платы за каждое рабочее место и по причине их ограниченной вычислительной мощности, которой может не хватать для проприетарных ОС.
e. Старые компьютеры с ограниченными ресурсами быстродействия и оперативной памяти, для них используются быстрые рабочие окружения или оконные менеджеры, не требовательные к ресурсам (например, LXDE, Openbox, Xfce, Fluxbox).
4. Mac OS (Macintosh Operating System) — семейство операционных систем с графическим интерфейсом. Вместе с Mac OS X вторая по популярности в мире операционная система. Разработана корпорацией Apple (ранее — Apple Computers) для своей линейки компьютеров Macintosh.
В 1984 году компания Apple Computers представила компьютер Macintosh с операционной системой Mac OS 1. Пользователи управляли своим компьютером не только вводимыми с клавиатуры командами и инструкциями, но и с помощью нового в те времена устройства, названного мышью. Мышь управляла указателем на экране монитора. Версия System, именуемая 7.6, и все версии после неё уже называются Mac OS, так как шла активная подготовка к клонированию Mac, и надо было придумать более подходящее название. Операционная система Mac OS использовала оконный интерфейс для представления и организации информации. Сам термин «Mac OS» в действительности не существовал до тех пор, пока не был официально использован в середине 1990-х годов. С тех пор термин применяется ко всем версиям операционных систем Макинтоша как удобный способ выделения их в контексте других операционных систем.
5. MS-DOS (англ. MicroSoft Disk Operating System — дисковая операционная система от Microsoft) — коммерческая операционная система фирмы Microsoft для IBM PC-совместимых персональных компьютеров. MS-DOS — самая известная ОС из семейства DOS, ранее устанавливавшаяся на большинство IBM PC-совместимых компьютеров. Со временем она была вытеснена ОС семейства Windows 9x и Windows NT.
MS-DOS была создана в 1981 году и в ходе её развития было выпущено восемь крупных версий (1.0, 2.0 и т. д.) и два десятка промежуточных (3.1, 3.2 и т. п.), пока в 2000 году Microsoft не прекратила её разработку. Это был ключевой продукт фирмы, дававший ей существенный доход и маркетинговый ресурс в ходе развития Microsoft от разработчика языка программирования до крупной компании, производящей самое разнообразное программное обеспечение.
Выводы по работе
В ходе выполнения лабораторной работы были изучены структура, функции и место в структуре ЭВМ операционных систем Microsoft Windows, UNIX, Linux, Mac OS и MS-DOS.
Список используемой литературы
1. Операционная система – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система
(дата обращения 08.12.13)
2. Microsoft Windows – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Windows
(дата обращения 08.12.13)
3. UNIX– URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/UNIX
(дата обращения 08.12.13)
4. Linux – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Linux
(дата обращения 08.12.13)
5. Mac OS– URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Mac_OS
(дата обращения 08.12.13)
6. MS-DOS– URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/MS-DOS
(дата обращения 08.12.13)