Операционная система — это комплекс взаимосвязанных программ, обеспечивающих интерфейс между приложениями и пользователями, с одной стороны, и аппаратурой компьютера — с другой, и реализующих рациональное управление ресурсами компьютера (в соответствии с некоторыми критериями).
Таким образом, с точки зрения обычного пользователя (не являющегося профессионалом в области информационных технологий), ОС выполняет две основные функции:
— предоставляет пользователю дружественный интерфейс;
— обеспечивает эффективное использование аппаратно- программных ресурсов ЭВМ.
Интерфейс, предоставляемый пользователю, действует как интерфейс между приложениями и пользователем, с одной стороны, и аппаратурой ЭВМ — с другой.Типичными объектами, с которыми манипулирует обычный пользователь, работая в среде той или иной ОС, являются диски, папки и файлы, окна и различные графические (если используется графический интерфейс пользователя) элементы окон (кнопки и т. п.). ОС обеспечивает для манипуляций с этими объектами интерфейс пользователя(UI). Задача ОС — обеспечить максимально дружественный, т. е. требующий в минимальном объеме специальных знаний, интуитивно понятный пользовательский интерфейс. В настоящее время для решения этой задачи в UI широко используется графика. Такой интерфейс получил название графического интерфейса пользователя —GUI.
Программисту ОС предоставляет программный интерфейс (интерфейс прикладного программирования) — API. Он представляет собой стандартизированный набор функций, процедур, других программных компонентов, который освобождает программиста от выполнения рутинных операций. При помощи указанного набора функций приложение запрашивает функции нижнего уровня (как правило, функции операционной системы). Чем богаче этот набор, чем шире возможности той или иной функции из этого набора, тем проще программисту реализовать рутинные, типичные функции приложения при взаимодействии его с ОС.
Решение любой задачи на ЭВМ требует определенных информационных, программных и аппаратных средств, которыевыступают по отношению к решаемой задачи как ресурсы. В общем случае какой-либо процесс решаемой программы либо другая программа могут потребовать доступа к ресурсу, который уже занят другой процедурой (программой). Возникает проблема оптимального, исходя из определенных критериев, распределения ограниченных ресурсов между процессами (программами). Именно эту проблему и должна решать ОС.
Наряду с указанными выше двумя основными функциями ОС выполняет и ряд других, в том числе сервисных, основными из которых являются:
— обработка нештатных (аварийных) ситуаций, возникающих при решении задач;
— диагностика и сервисное обслуживание дисков — исправление ошибок в адресации данных, расположенных на дисках, оптимизация расположения данных на диске;
— конфигурирование аппаратных средств ЭВМ под нужды пользователя.
По типу аппаратных средств, для которых предназначена ОС, различают ОС мейнфреймов (больших ЭВМ) и ОС персональных ЭВМ.
ОС персональных ЭВМ можно разделить на:
— однозадачные и многозадачные (в зависимости от допустимого числа одновременно решаемых задач);
— однопользовательские и многопользовательские (в зависимости от допустимого числа одновременно обслуживаемых пользователей);
— одно- и многопроцессорные (в зависимости от допустимого количества процессоров в аппаратуре компьютера);
— локальные и сетевые (по ориентации на возможность работы в локальных вычислительных сетях; локальные ОС предназначены для автономного компьютера; сетевые ОС ориентированы на обеспечение работы компьютеров в локальной сети).
Следует отметить, что современные ОС, как правило, являются в той или иной степени сетевыми. Если в локальной сети выделен специальный компьютер (называемый сервером) для обслуживания сетевого взаимодействия, то ОС, ориентированная на такое обслуживание всей сети, называется серверной. В таком случае ОС, установленные на других компьютерах (клиентах), называют клиентскими (или ОС рабочей станции).
Первые ЭВМ не имели ОС. Программирование велось на машинном языке. Никакого системного программного обеспечения не было. Постепенно, с совершенствованием аппаратуры, появились первые алгоритмические языки, применение которых позволило расширить круг пользователей ЭВМ. Это потребовало как более эффективной организации их работы на ЭВМ, так и более эффективного использования аппаратных ресурсов ЭВМ, прежде всего процессора (необходимо было свести к минимуму простои процессора при подготовке задания к выполнению на ЭВМ оператором). Для решения этой проблемы были разработаны системы пакетной обработки данных, автоматизировавшие работы оператора по подготовке вычислительного процесса и позволявшие запускать на выполнение не одну, а несколько задач (пакет). Эти системы стали первыми системными программами, прообразом ОС, т. е. появилось разделение программного обеспечения на системное и прикладное. На 1965—1975 гг. приходится «золотой век» в развитии ОС. Именно в эти годы были разработаны и реализованы все основные методы и механизмы, характеризующие современные ОС. Наиболее значимым событием стала промышленная реализация мультипрограммирования — способа организации вычислительного процесса, при котором в памяти ЭВМ размещается одновременно несколько программ, использующих один и тот же процессор. Это позволило существенно повысить эффективность использования дорогостоящих ЭВМ. Следующим достижением, уже непосредственно затрагивающим возможности интерфейса пользователя, стала разработка систем разделения времени, которые обеспечивали пользователю возможность работать за собственным монитором (терминалом) и при многопользовательском (многотерминальном) режиме работы создавали у пользователя иллюзию монопольного владения ресурсами ЭВМ (на основе мультипрограммного режима работы). Это существенно повышало удобство работы пользователей ЭВМ. В начале 70-х гг. появились первые сетевые ОС, что потребовало значительных усилий по стандартизации протоколов (правил) обмена в сетях. Начало 80-х гг. ознаменовалось появлением персональных компьютеров. Одной из основных задач, в связи с ориентацией этих ЭВМ на массового, обычного пользователя, стала задача разработки дружественного интерфейса пользователя. Другая важная задача — развитие сетевых компонентов ОС в целях приближения возможностей персональных ЭВМ при решении сложных задач к возможностям мощных больших ЭВМ — мейнфреймов (за счет «объединения» их вычислительных ресурсов в сети). Именно решение этих задач определяет направление разработки современных ОС.
При разработке современных ОС большое внимание уделяется вопросам их переносимости (т. е. возможности функционирования) на разные аппаратные платформы, совершенствованию интерфейса пользователя с ОС, разработке методов организации параллельных вычислений, способных существенно ускорить решение задач на ЭВМ.
Типичный пример системного ПО наряду с ОС — операционные среды и оболочки, основной причиной разработки которых явилось стремление более полно удовлетворить требования пользователя к интерфейсу с ЭВМ. Обычный пользователь достаточно часто не совсем доволен возможностями той или иной операционной системы. Прежде всего данная ситуация характерна для тех ОС, которые требуют от пользователя жесткого соблюдения правил диалога с ЭВМ.
Аналогичная ситуация имеет место и в том случае, когда пользователем является программист. Кроме удобного интерфейса, как и обычному пользователю, программисту требуются развитые средства интерфейса прикладного программирования (API), которые необходимы для взаимодействия приложений с операционной системой посредством вызова системных процедур.
Возможности API в первую очередь определяются тем инструментарием, который предоставляет программисту операционная система. Однако программист бывает часто неудовлетворен предоставляемыми ему возможностями, особенно таких ОС, как MS DOS.
Операционная среда — это комплекс системных программ, основным назначением которого является предоставление в распоряжение пользователя как интерфейса пользователя (UI), так и интерфейса прикладного программирования (API), существенно превосходящих по своим возможностям аналогичные интерфейсы, предоставляемые операционной системой. Отличительная черта операционной среды — то, что она надстраивается над существующей ОС, т. е. ее работа невозможна без этой ОС.
Операционная оболочка — это комплекс системных программ, обеспечивающий дружественный интерфейс пользователя (UI) с операционной системой, превосходящий по тем или иным параметрам (как правило, по уровню непроцедурности и близости к языку профессиональной деятельности пользователя) аналогичные средства интерфейса пользователя, предоставляемые самой операционной системой.
Примером операционной оболочки является популярная системная программа NortonCommander.
