Тема 1.3. Базове програмне забезпечення персональних комп’ютерів, операційні системи, їх сумісність

1.3.1. Глосарій

ОС (OS) - Операційна система (Operational system)

ГІК - Графічний інтерфейс користувача

ПЗ - Програмне забезпечення

ПК - Персональний комп’ютер

DOS - Дискова операційна система

VMS - Система віртуальної пам'яті

1.3.2. Вступ

Цей матеріал присвячений операційним системам персональних комп'ютерів та мобільних пристроїв, їх призначенню, функціям та видам. Також тут наводиться огляд та порівняльний аналіз найбільш популярних операційних систем.

1.3.3. Операційні системи – визначення та призначення

Операційна система (ОС) – це програмне забезпечення, що управляє комп'ютерами і дозволяє запускати на них прикладні програми та надає програмний інтерфейс взаємодії з комп'ютером, керує прикладними програмами і займається розподілом ресурсів, у тому числі між прикладними програмами. Деякі операційні системи дозволяють прикладним програмам працювати з апаратним забезпеченням. У широкому значенні під операційною системою розуміється сукупність ядра операційної системи та працюючих у ній програм та утиліт, що надають інтерфейс для взаємодії користувача з комп'ютером (рисунок 1).

Інакше кажучи, операційна система – це комплекс програм, що забезпечує управління апаратними засобами комп'ютера, організовує роботу з файлами та виконання прикладних програм, здійснює введення та виведення даних (рисунок 1).

Рисунок 1. Візуальне оформлення взаємозв'язків операційної системи

На сьогоднішній день операційна система – це перший і основний набір програм, що завантажується в комп'ютер. Крім вказаних функцій ОС може здійснювати й інші, наприклад, надання загального інтерфейсу користувача.

Комп’ютерні операційні системи необхідні для роботи будь-якого комп’ютера. У вас може бути комп’ютер, ноутбук або мобільний пристрій, наприклад, планшет або смартфон. Кожному з цих пристроїв потрібна «Операційна система» або ОС, щоб запустити його та контролювати його загальне функціонування.

Усе ваше програмне забезпечення або програми працюють поверх операційної системи комп’ютера – без ОС ваш комп’ютер нічого не робитиме. У всьому світі існує багато операційних систем для комп’ютерів або сімейств ОС. 

Сьогодні найбільш відомими операційними системами є ОС сімейства Microsoft Windows та UNIX-подібні системи.

З чого складається ОС:

Інтерфейс ядра операційної системи

Функції ядра операційної системи можуть бути реалізовані внаслідок виконання в прикладних програмах спеціальних функцій — системних викликів. Призначення системного виклику полягає в тому, що прикладні програми не в змозі самотужки визначити, за якими адресами знаходяться функції ядра.

Системний виклик в один з машинно-залежних способів реалізує механізм отримання адрес функцій ядра та передачу в ці функції необхідних параметрів системного виклику, а також отримання результату системного виклику. Найчастіше системні виклики забезпечуються через систему переривань, завдяки чому адреса функції ядра не тільки обраховується апаратно (у процесі обробки переривання), але й забезпечується захист інформаційних ресурсів ядра.

Системні виклики найчастіше мають синтаксис функції мови програмування, на якій написано ядро ОС.

Підсистема керування введенням-виведенням

Підсистема керування введенням-виведенням реалізує базові механізми обміну даними між пристроями введення-виведення та оперативною пам'яттю обчислювальної машини та забезпечує організацію файлів в файлові системи.

Операція введення виконується як читання даних із зовнішнього пристрою в оперативну пам'ять, операція виведення — як запис даних з оперативної пам'яті на зовнішній пристрій.

При роботі з файлами система введення-виведення впроваджує спеціальну абстракцію — потік вводу-виводу, що дозволяє програмам, які звертаються за сервісами введення-виведення, використовувати одноманітний перелік функцій роботи з файлами незалежно від типу пристрою, на якому знаходиться файл, та типу файлової системи, яка містить цей файл. Відмінності доступу до різних пристроїв та файлових систем забезпечуються додатковими програмними модулями — драйверами пристроїв та файлових систем.

В окремих операційних системах підсистема керування введенням-виведенням також може впроваджувати механізми, які покликані підвищити швидкість обміну даними між задачами та файлами. Найчастіше використовується механізм буферизації (кешування) даних, який полягає в тому, що при читанні даних з файлу підсистема намагається за одну операцію введення читати дані блоками зручного (звичайно досить великого) розміру, а не порціями, які запитує задача. Завдяки цьому за одну операцію введення в оперативну пам'ять потрапляють також додаткові дані, які зберігаються в кеші і надалі передаються в програму без додаткових звернень до пристрою. Подібним чином цей механізм працює і при виконанні операцій запису.

Підсистема керування оперативною пам'яттю

Будь-яка програма може виконуватись лише тоді, коли вона завантажена в оперативну пам'ять, так само будь-які дані з файлів можуть оброблятись лише тоді, коли вони завантажені в оперативну пам'ять. Завантаження програми та даних в оперативну пам'ять призводить до того, що в оперативній пам'яті одночасно знаходяться одразу кілька компонентів: ядро операційної системи, командний інтерпретатор, програма, що виконується, та дані, що обробляються. Крім того, програма в процесі свого виконання може звертатись до підсистеми керування оперативною пам'яттю із запитами на виділення додаткової — динамічної — оперативної пам'яті.

У багатозадачних операційних системах кількість компонентів, що одночасно можуть знаходитись в оперативній пам'яті, зростає пропорційно кількості задач і може сягати сотень.

Підсистема керування оперативною пам'яттю забезпечує розподіл оперативної пам'яті між різними компонентами, а також розподіляє пам'ять під кеш системи введення-виведення.

В окремих багатозадачних операційних системах підсистема керування оперативною пам'яттю також забезпечує віртуалізацію оперативної пам'яті, завдяки чому кожна задача (процес) отримує власну віртуальну пам'ять, причому таким чином, що нестача реальної (фізичної) пам'яті покривається за рахунок перерозподілу даних між оперативною пам'яттю та зовнішнім накопичувачем і переміщення даних між фізичною оперативною пам'яттю і зовнішнім накопичувачем приховується від задач. Це переміщення називається підкачуванням сторінок (англ. paging) або свопінгом (англ. swapping — обмін) — залежно від термінології конкретної ОС.

Запровадження механізму віртуалізації оперативної пам'яті дозволяє отримати два корисних наслідки:

• кожна задача фактично виконується у власному адресному просторі, тобто таким чином, якби вона виконувалась в однозадачній операційній системі, завдяки чому значно зменшується вплив окремих задач одна на одну та на ядро системи, а завдяки цьому — і надійність системи;
• кожна задача отримує стільки віртуальної оперативної пам'яті, скільки потрібно, а не стільки, скільки є наявної фізичної оперативної пам'яті.

Віртуалізація оперативної пам'яті вимагає апаратної підтримки і звичайно забезпечується через спеціальну таблицю сторінок пам'яті, що містить відповідності між віртуальними та фізичними адресами.

Підсистема керування задачами (процесами)

Підсистема керування задачами (процесами) забезпечує створення задачі (процесу), завантаження програмного коду і його виконання та завершення задачі (процесу).

У багатозадачних системах підсистема керування задачами (процесами) також забезпечує механізми залежностей між задачами, в тому числі: синхронізацію задач та успадкування властивостей.

Засоби міжпроцесної взаємодії

Взаємодія процесів дозволяє процесам синхронізувати свою роботу, сумісно і узгоджено використовувати спільні ресурси та спільно виконувати обробку даних.

Взаємодія процесів забезпечується всіма підсистемами ядра ОС: підсистема керування введенням-виведенням забезпечує передачу даних між процесами; підсистема керування оперативною пам'яттю розподіляє під процеси спільну оперативну пам'ять, підсистема керування процесами забезпечує синхронізацію виконання процесів та впроваджує механізм обміну сигналів, за допомогою якого процеси повідомляються про виникнення в системі надзвичайних подій.

Засоби безпеки

Безпека ОС базується на двох ідеях:

• ОС надає прямий чи непрямий доступ до ресурсів на кшталт файлів на локальному диску, привілейованих системних викликів, особистої інформації про користувачів та служб, представлених запущеними програмами;
• ОС може розділити запити ресурсів від авторизованих користувачів, дозволивши доступ, та неавторизованих, заборонивши його.

Запити, своєю черглю, також діляться на два типи:

• Внутрішня безпека — вже запущені програми. На деяких системах програма, оскільки вона вже запущена, не має ніяких обмежень, але все ж типово вона має ідентифікатор, який використовується для перевірки запитів до ресурсів.
• Зовнішня безпека — нові запити з-за меж комп'ютера, як, наприклад, реєстрація з консолі чи мережеве з'єднання. У цьому випадку відбувається процес авторизації за допомогою імені користувача та паролю, що його підтверджує, чи інших способів, як, наприклад, магнітні картки чи біометричні дані.

На додачу до моделі “дозволити/заборонити” системи з підвищеним рівнем безпеки також слідкують за діяльністю користувачів, що дозволяє пізніше дати відповідь на питання типу «Хто читав цей файл?»

Графічний інтерфейс користувача

Більшість сучасних операційних систем мають графічний інтерфейс користувача (GUI). У деяких старіших ОС ГІК вбудований у ядро, як, наприклад, в оригінальних реалізаціях Microsoft Windows чи MacOS. Більшість сучасних ОС є модульними і графічна підсистема у них відділена від ядра (як, наприклад, у Linux, Mac OS X і частково у Windows).

Багато операційних систем дозволяють користувачеві встановити будь-який графічний інтерфейс на власний вибір. Типовим прикладом у більшості Unix-подібних систем (BSD, Linux, Minix) є віконна система Х у поєднанні з графічним менеджером KDE чи Gnome. Для Unix-подібних-систем графічний інтерфейс не є необхідним.

Графічний інтерфейс користувача невпинно розвивається. Наприклад, інтерфейс Windows модифікується щоразу при випуску нової основної версії, а ГІК MacOS було кардинально змінено після випуску Mac OS X у 2001 році.

Драйвери пристроїв

Драйвери — це особливий тип комп'ютерних програм, розроблених для коректної взаємодії з пристроями. Вони представляють інтерфейс для взаємодії з пристроєм через певну шину комп'ютера, до якої цей пристрій під'єднано, за допомогою ряду команд, що відправляють та отримують дані з пристрою. Ці програми залежні як від пристрою, так і від операційної системи, тобто кожен пристрій потребує свого драйвера під кожну ОС.

Ключовим моментом проєктування драйверів є абстрагування. Кожна модель пристрою (навіть якщо пристрої однакового класу) є унікальною. Новіші моделі часто працюють швидше чи продуктивніше й інакше контролюються. ОС не може знати, як контролювати кожен пристрій зараз і в майбутньому. Для вирішення цієї проблеми ОС лише задає правила поведінки класу пристроїв. Задачею драйвера є перетворення цих правил у специфічні для кожного пристрою команди керування.

Засоби для роботи в мережі

У більшості сучасних ОС реалізовано підтримку стеку протоколів TCP/IP. Це означає, що вони можуть взаємодіяти в мережі, маючи доступ до ресурсів одне одного.

Багато ОС також підтримують один чи кілька специфічних протоколів, як, наприклад, SNA на системах від IBM, DECnet на системах від Digital Equipment Corporation, та Microsoft-специфічні протоколи для Windows. Для певних задач використовуються специфічні протоколи, як, наприклад, NFS для роботи з файлами через мережу.

1.3.4. Огляд найбільш популярних ОС

Microsoft Windows

Microsoft Windows, це, ймовірно, найвідоміша та найпоширеніша комп’ютерна операційна система в сучасному світі. Вона була розроблена корпорацією Microsoft і може працювати на кількох різних платформах, зокрема, на ПК або персональних комп’ютерах. Вона пропонує сучасну версію системи WIMP (Windows, значки, меню, покажчик) – термін, який вперше використав Мерзуга Вілбертс у 1980 році і який спочатку використовувався в комп’ютерах Apple.

Microsoft прийняла систему WIMP, яка є найбільш широко використовуваною ОС для ПК у всьому світі. Сучасні версії більше не використовують MS-DOS, хоча командний рядок DOS все ще доступний, якщо потрібно. Microsoft Windows надає GUI (графічний інтерфейс користувача), що забезпечує спільне багатозадачне середовище. Користувачі можуть запускати безліч програм або застосунків, кожен у своєму вікні, зі значками, що представляють посилання на конкретні програми, які можна натиснути. Багато комп’ютерів продаються з уже встановленою Windows.

ОС Windows з’явилася у другій половині 80-х років і вже з 1992 року з версії 3.1 почала швидко набирати популярність у світі. Паралельно почала розвиватися гілка Windows NT, яка дозволяла більш ефективно керувати доступом до файлів та обчислювальних ресурсів, але мала менш дружній інтерфейс і призначалась більшою мірою для серверів.

Починаючи з Windows 2000, ці гілки розвитку поєднались у систему, що, з одного боку, має дуже дружній інтерфейс, а з іншого, наслідувала розвинуту систему керування доступом – NTFS.

Наразі найбільш вживаними в сімействі Windows є MS Windows 7 та MS Windows 10. 

Але найбільш зручною, безпечною та сталою завжди є остання версія ОС з встановленими на неї останніми оновленнями від розробника системи. 

Linux

Linux був похідним від UNIX (див. інші OC) – розроблений шведом Лінусом Торвальдсом і випущений для безоплатного вільного користування в 1991 році. Linux зараз широко використовується розробниками, які в рамках системи з відкритим кодом можуть вносити зміни в програмне забезпечення для реалізації своїх потреб.

Linux використовується на всіх типах комп’ютерів, включаючи ноутбуки, мейнфрейми, а також мобільні пристрої в тій чи іншій формі. Android, наприклад, було написано спеціально на основі ядра Linux. Це операційна система загального призначення з великою кількістю інсталяцій,.

Ubuntu

Ubuntu — дистрибутив GNU/Linux, заснований на Debian GNU/Linux, є, мабуть, ОС з найбільш дружнім інтерфейсом в родині Linux. 

Основним розробником і спонсором є компанія Canonical. У даний час проєкт активно розвивається і підтримується вільним співтовариством.

За заявами Canonical, система Ubuntu використовується приблизно 20 мільйонами користувачів у всьому світі. Вона є у списку найпопулярніших дистрибутивів GNU/Linux для веб-серверів. За кількістю користувачів, відвідуваних сайтом DistroWatch, Ubuntu займає 4-е місце.

Mac OS для персональних комп'ютерів Macintosh

Mac OS була розроблена для роботи з комп’ютерною системою Apple Macintosh. Комп’ютери Apple були представлені в 1984 році, і Mac OS була першою комерційно успішною системою, яка використовувала графічний інтерфейс, і, ймовірно, це спонукало Microsoft розробити Windows. Ранні версії цієї операційної системи були відомі просто як «Система» і «Пошук». Версія 7.5.1 була першою версією ОС, яка використовувала логотип Mac OS, а версія 7.6 була першою, яка офіційно називалася Mac OS.

Mac OS X стала загальнодоступною з версією 10 Mac OS у 2001 році. OS X – це не просто оновлення Mac OS, оскільки вона використовує іншу архітектуру: це ОС UNIX, яка з’явилася після того, як Apple придбала NeXT Computer, яка використовувала операційну систему NeXTSTEP. Це лише один приклад того, як операційні системи можуть розвиватися та гібридизуватися з придбанням абсолютно різних операційних систем. Потім Mac OS X стала просто OS X, яка зараз використовується для роботи з комп’ютерами Apple Mac.

Інші OC

Операційна система DOS, а пізніше MS-DOS, була однією з перших операційних систем для комп'ютерів. Вона почала свій шлях до популярності в 1981 році, коли компанія IBM вибрала її для використання на своїх комп'ютерах. Це стало однією з ключових моментів у розвитку Microsoft.

Операційна система OS/2 була розроблена спільно IBM і Microsoft, але потім IBM взяла її під свій контроль. Вона вийшла в 1987 році і була сумісною з багатьма іншими операційними системами, включаючи Windows і DOS. Однак OS/2 не набула такого успіху, як DOS і Windows.

RTOS (операційні системи реального часу) використовуються тоді, коли потрібна миттєва реакція на події. Вони знаходять застосування, наприклад, в автомобільних системах безпеки або системах потокового відео.

FreeBSD — це операційна система, що базується на UNIX і використовується, зазвичай, на серверах для забезпечення надійних мережевих служб та ефективного управління пам'яттю.

UNIX — це багатокористувацька операційна система, яка працює на різних типах комп'ютерів. Її використовують в основному на серверах через її стабільність та здатність працювати на різних апаратних платформах.

1.3.5. Сумісність ОС

Сумісність – це здатність апаратних або програмних засобів працювати із заданою комп'ютерною системою або здатність двох приладів працювати при з'єднанні один з одним.

При виборі ОС для свого комп'ютера чи мобільного пристрою обов'язково поцікавтесь, чи підтримує ця ОС роботу всіх приладів та програмного забезпечення, які ви плануєте підключати до вашого комп’ютера або мобільного пристрою.

Багато виробників програмного забезпечення та комп’ютерного обладнання розробляють та публікують на своїх веб-сайтах драйвери (спеціалізоване ПЗ) та інструкції по підключенню своїх продуктів для різних ОС. 

Сумісність програмного забезпечення — характеристика програмного забезпечення, що відповідає за можливість чи неможливість певного програмного забезпечення запускатися і працювати під управлінням конкретної операційної системи та успішно взаємодіяти з іншим програмним забезпеченням. Сумісність може проявлятися на рівні виконуваних файлів, вихідних кодів або на рівні форматів файлів даних.

ОС для мобільних пристроїв:

1. iOS

iOS (до 24 червня 2010 року — iPhone OS) — мобільна операційна система для смартфонів, електронних планшетів, носіїв програвачів і деяких інших пристроїв, заснована на macOS X, розробляється і випускається американською компанією Apple.

2. Android

Android — операційна система, що ґрунтується на ядрі Linux, призначена для смартфонів, планшетів, електронних книг, цифрових програвачів, наручних годинників, фітнес-браслетів, ігрових приставок, ноутбуків, нетбуків, смартбуків, окулярів Google Glass, телевізорів та інших пристроїв. Android має величезну кількість варіантів, які в сукупності називаються оболонками Android.

3. Ubuntu Touch

Ubuntu Touch — мобільна операційна система, заснована на ядрі Linux, анонсована 2 січня 2013 року, розроблена компанією Canonical Ltd. для смартфонів і планшетів.

1.3.6. Висновки

Операційні системи є ключовим елементом вашого спілкування з комп’ютером, мобільним пристроєм та багатьма «розумними» пристроями, що нас оточують.

На базі операційних систем в подальшому встановлюються різноманітні програми та додатки, необхідні для виконання певних завдань. Серед найбільш поширених – офісні пакети, веб-браузери, медичні інформаційні системи та інші програми. 

Усі ОС розроблені під певні задачі, їх правильний вибір робить ефективним використання програмного та апаратного забезпечення.

Разом з тим, розробники всіх ОС орієнтуються на зручність використання користувачем, тому, отримавши навички роботи на одній ОС, ви легко зможете використовувати інші ОС, які орієнтовані на взаємодію з користувачем.

Ключові слова / Теги

Операційні системи, персональні комп'ютери, багатозадачність, файлові системи, управління доступом

Наступна сторінка: Текстове, табличне та презентаційне програмне забезпечення провідних світових постачальників