System operacyjny, co to jest?
System operacyjny (ang. operating system, skrót OS) – oprogramowanie zarządzające systemem komputerowym, tworzące środowisko do uruchamiania i kontroli zadań.
Geneza
Wczesne komputery były urządzeniami bardzo kosztownymi, wobec czego właścicielom tych urządzeń zależało na maksymalnym wykorzystaniu ich możliwości, czyli najczęściej wykonania możliwie jak największej liczby prac. Miało to efektywniej wykorzystać nakłady poniesione na zakup komputera. Komputer zainstalowany w ośrodku obliczeniowym pracował niekiedy nie tylko na potrzeby swojego właściciela, ale realizował usługi dla innych podmiotów gospodarczych. Rozpoczęto poszukiwania możliwości zwiększenia wydajności komputera oraz ułatwienie jego programowania, a ponieważ proste rozwiązania w postaci zmiany CPU na szybszą itp. nie wchodziły w grę (ze względu na koszt), zaczęto szukać innych możliwości polepszenia sytuacji. Szybko dostrzeżono fakt, że szybkość działania interfejsów wejścia/wyjścia jest niewspółmiernie mniejsza niż jednostki centralnej (zresztą ta zależność utrzymuje się dzisiaj i zdaje się pogłębiać). Wprowadzanie programu i danych z kart perforowanych, a nawet taśm magnetycznych czy drukowanie wyników trwało dużo dłużej niż same obliczenia. Pierwszą drogą jaką znaleziono było umieszczenie na stałe w pamięci komputera oprogramowania realizującego obsługę sprzętu oraz komunikację sprzętu z użytkownikiem. Dzięki temu nie było już konieczne każdorazowe ładowanie kodu obsługi sprzętu i komunikacji z użytkownikiem przy ładowaniu programu użytkowego. Uzyskano w ten sposób pewną oszczędność czasu oraz zwiększono efektywność. Dalsze ulepszenia polegały na dostrzeżeniu faktu, że podczas samego wprowadzania programu lub wyprowadzania danych na drukarkę procesor komputera jest niewspółmiernie mniej obciążony pracą niż podczas wykonywania obliczeń. Zrodził się więc pomysł aby w tym czasie procesor był zajęty przetwarzaniem innego programu. Taka funkcjonalność, w której komputer wykonuje kilka zadań w tym samym czasie nazywa się wielozadaniowością i jest jedną z podstawowych cech nowoczesnych systemów operacyjnych.
System operacyjny jako interfejs pomiędzy maszyną a człowiekiem
Schemat warstw logicznych obrazujący relacje pomiędzy elementami systemu komputerowego Aby można było mówić, że system operacyjny tworzy środowisko niezbędne do uruchamiania i kontroli zadań, musi on udostępniać interfejs pozwalający na wykonanie pewnych operacji. Przykładowo musi dostarczać metody pozwalające na uruchomienie lub zatrzymanie wskazanego zadania. Zazwyczaj system operacyjny udostępnia w tym celu zestaw funkcji zwanych API (Application Programming Interface) lub wywołań systemowych. Programista aplikacyjny może skorzystać z tych funkcji w celu uzyskania żądanego efektu, przykładowo odczytu danych z pliku dyskowego (o ile system operacyjny posiada system plików). Jakąkolwiek czynność zadania użytkownika chcą wykonać na sprzęcie, korzystają zawsze z interfejsu systemu. Ma to tę zaletę, że o szczegółach obsługi sprzętu jest poinformowany tylko i wyłącznie system operacyjny, a same zadania nie muszą znać specyfiki obsługi urządzeń. Ułatwia to zadanie programistom aplikacyjnym oraz rozwiązuje potencjalne problemy. Innym rodzajem interfejsu jest interfejs użytkownika. Dzięki niemu możliwa jest bezpośrednia interakcja użytkownika z komputerem, choćby tak trywialna jak bezpieczne wyłączenie maszyny. Należy przy tym zwrócić uwagę, że o ile interfejs programowy (API lub wywołania systemowe) jest elementem koniecznym, o tyle interfejs użytkownika jest elementem opcjonalnym.
Budowa systemu operacyjnego
Schematyczna budowa systemu komputerowego Przyjęto, że system operacyjny dzieli się na trzy główne elementy: jądro systemu wykonujące i kontrolujące zadania: planisty czasu procesora, ustalającego które zadanie i jak długo będzie wykonywane, przełącznika zadań, odpowiedzialnego za przełączanie pomiędzy uruchomionymi zadaniami, i dodatkowo: modułu zapewniającego synchronizacje i komunikację pomiędzy zadaniami, modułu obsługi przerwań i zarządzania urządzeniami, modułu obsługi pamięci, zapewniającego przydział i ochronę pamięci, innych modułów zależnie od funkcji i przeznaczenia systemu. powłoka – specjalny program komunikujący użytkownika z systemem operacyjnym, system plików – sposób ustrukturyzowanego zapisu danych na nośniku.
Podział systemów operacyjnych
Najszerszym, ale najbardziej podstawowym kryterium podziału systemów operacyjnych jest podział na: system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) systemy operacyjne czasowo niedeterministyczne Podział ten odnosi się do najbardziej podstawowej funkcjonalności systemu operacyjnego jakim jest planowanie i przydział czasu procesora poszczególnym zadaniom. Ze względu na sposób realizacji przełączania zadań systemy operacyjne można podzielić na: systemy z wywłaszczaniem zadań systemy bez wywłaszczania. Inny rodzaj podziału to podział na: otwarte systemy operacyjne wbudowane systemy operacyjne. Systemy otwarte można uruchomić na dowolnej maszynie wskazanego rodzaju np. PC i w określonym stopniu modyfikować. Systemy wbudowane jak sama nazwa wskazuje są zaszyte (wbudowane) wewnątrz urządzeń użytkowych, maszyn pojazdów itp. Aby uzyskać wysoką niezawodność pracy, minimalizuje się w takich przypadkach możliwość dokonywania zmian w konfiguracji systemu operacyjnego. Pod względem środowiska użytego do implementacji systemu można wprowadzić podział na: programowe sprzętowe. Sprzętowe systemy operacyjne to: sprzętowo programowe rozwiązania integrowane z wybraną architekturą procesora. W takim przypadku sprzętowa część systemu przyśpiesza wybrany zakres czynności wykonywanych przez system (przykładowo przełączania zadań i zachowywanie ich kontekstu). Można ustalić pewną relację pomiędzy wymienionymi kryteriami podziału. Zazwyczaj jako otwarte systemy operacyjne spotyka się systemy w pełni programowe, czasowo niedeterministyczne stosujące wywłaszczenie przy przełączaniu zadań. Wbudowane systemy operacyjne są najczęściej czasowo deterministyczne, zazwyczaj nie stosują wywłaszczenia zadań, bywa, że są realizowane również w sprzęcie.
Zasoby sprzętowe
Zasoby sprzętowe zarządzane przez system operacyjny: procesor – przydział czasu procesora, pamięć alokacja przestrzeni adresowej dla procesów, transformacja adresów, urządzenia zewnętrzne udostępnianie i sterowanie urządzeniami pamięci masowej np. dysk twardy, alokacja przestrzeni dyskowej, udostępnianie i sterowanie drukarkami, skanerami, aparatami itp., informacja (system plików), organizacja i udostępnianie informacji, ochrona i autoryzacja dostępu do informacji.
Zarządzanie zasobami
W przypadku środowiska wielozadaniowego, w którym wiele zadań wykonywanych jest w tym samym czasie, może dość do interferencji procesów. Aby zapobiec temu niekorzystnemu zjawisku, organizuje się dostęp do sprzętu, plików, pamięci itp. poprzez ustanowienie zasobów systemowych. W takim przypadku zadania (procesy) użytkownika nie sięgają samodzielnie do sprzętu lub pliku, ale używają systemu operacyjnego jako strażnika zarządcy zasobów. Dzięki takiej organizacji dostępu do zasobów zadania „mają wrażenie”, że każde z nich pracuje na własnym komputerze. O realny porządek dostępu do rzeczywistego urządzenia, pamięci lub pliku dba system operacyjny. Główne zadania systemu operacyjnego podczas zarządzania zasobami systemu komputerowego: tworzenie deskryptora zasobu, usuwanie deskryptora zasobu, realizacja żądania przydziału, zwolnienie i odzyskiwanie zasobu. Zarządzanie zasobami systemu komputerowego: przydział zasobów, synchronizacja dostępu do zasobów (zapobieganie interferencji), ochrona i autoryzacja dostępu do zasobów, odzyskiwanie zasobów, rozliczanie – gromadzenie danych o wykorzystaniu zasobów. Zarządzanie procesem – proces to program w stanie uruchomionym, każdy proces wymaga przydziału pewnych zasobów, włączając w to czas procesora, pamięć, pliki oraz urządzenia wejścia/wyjścia, aby w pełni wykonać swoje zadanie. System operacyjny jest odpowiedzialny w fazie zarządzania procesami za: tworzenie i usuwanie procesu, wstrzymywanie i przywracanie procesu, zapewnienie mechanizmów pozwalających na synchronizację procesów oraz komunikację między procesami. Zarządzanie pamięcią operacyjną – pamięć to duża tablica słów lub bajtów, z których każdy ma własny adres. Pamięć jest szybko dostępna i dzielona jest pomiędzy procesor oraz urządzenia wejścia/wyjścia. Pamięć główna jest ulotnym miejscem przechowywania danych, traci swoją zawartość w czasie awarii systemu. System operacyjny jest odpowiedzialny w fazie zarządzania pamięcią za: utrzymywanie informacji, która część pamięci jest aktualnie używana i przez kogo, decydowania, który proces powinien zostać wczytany do pamięci, jeżeli pamięć jest wolna, przydzielanie i zwalnianie pamięci. Zarządzanie plikami – plik jest zbiorem informacji zdefiniowanym przez twórcę pliku. Zazwyczaj, pliki reprezentują programy (źródła programów lub pliki wykonywalne) oraz dane. System operacyjny jest odpowiedzialny w fazie zarządzania plikami za: tworzenie i kasowanie plików, tworzenie i kasowanie katalogów, wsparcie dla użytkowników końcowych przy operacjach na plikach, mapowanie plików na nośniku danych, tworzenie kopii plików. Zarządzanie wejściem/wyjściem – system wejścia/wyjścia składa się z: systemu buforowania, interfejsu urządzeń głównych, sterowników (kontrolerów) dla specyficznych urządzeń. Zarządzenie nośnikami danych – pamięć główna jest ulotna i często za mała aby obsłużyć wszystkie programy i dane, dlatego stosuje się nośniki danych (najczęściej dysk twardy) do powiększania tej pamięci tak zwanej pamięć drugiego rzędu, na napędach tych mapuje się pamięć główną. System operacyjny jest odpowiedzialny w fazie zarządzania nośnikami danych za: zarządzanie wolną pamięcią, alokacją zapisu, planowaniem dysku.