2. Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются и повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются Windows XP / Vista / Windows 7/

Windows 8, Apple MacOS и Linux.

3. Встроенные ОС используются в смартфонах, карманных компьютерах и бытовой технике.

Карманный компьютер – это маленький компьютер, помещающийся в кармане и выполняющий небольшой набор функции, например, телефонной книжки и блокнота.

Смартфон – это мобильный телефон, обладающий многими возможностями карманного компьютера. Встроенные микропроцессорные системы, управляющие работой устройств бытовой техники, не считаются компьютерами, но обладают теми же характеристиками, что и системы реального времени, и при этом имеют малые размер и память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких ОС являются Google Andrоid и Apple iOS. Windows Phone 7

4. Самые маленькие ОС работают на смарт-картах (карты памяти, банковские карты) представляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержащих центральный процессор. На такие ОС накладываются очень жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции.

Основными функциями ОС являются:

• распределение ресурсов ЭВМ между процессами – выделение процессам ресурсов ЭВМ в зависимости от их приоритета;

• поддержание файловой системы – организация хранения и поиска программ и данных на внешних носителях;

• обеспечение интерфейса пользователя – прием и выполнение команд пользователя.

Распределение ресурсов ЭВМ между процессами

После запуска программы создается соответствующий ей процесс, которому выделяются ресурсы ЭВМ. Каждый процесс получает адресное пространство в ОЗУ, содержащее стек, регистры, счетчик команд и другие необходимые элементы. Также ресурсами являются время процессора и доступ к устройствам ввода-вывода.

Процесс могут породить ОС, пользователь или другой процесс. ОС может выполнять несколько процессов одновременно, однако в каждый момент времени выполняется только один процесс. Таким образом, создается иллюзия многозадачности за счет мгновенного перераспределения ресурсов ЭВМ, прежде всего, времени процессора. Завершение процесса осуществляется ОС, другими процессами или пользователем, например, закрывающим программу.

Специальная программа планировщик, являющаяся частью ОС, распределяет ресурсы ЭВМ между процессами. Таким образом, процессы конкурируют за ресурсы. Каждый процесс имеет приоритет, в соответствии с которым он получает ресурсы ЭВМ. Наибольший приоритет имеют компоненты ОС, наименьший – программы пользователя. Приоритет процесса зависит также от частоты запроса процессом ресурсов. Чем более требователен процесс к ресурсам, тем он имеет более высокий приоритет.

Пример распределения времени процессора между процессами представлен на Рисунке 1.

Процесс 1 – высокий приоритет.

Процесс 2 – средний приоритет.

Процесс 3 – низкий приоритет.

Переключение между процессами осуществляется каждые несколько миллисекунд. Поэтому у пользователя создается впечатление одновременной работы нескольких процессов. Однако в некоторых случаях доступ к устройствам ввода-вывода следующего процесса осуществляется только после того, как другой процесс освободил его. Например, распечатка документов на принтере несколькими пользователями.

Пример распределения ОЗУ между процессами представлен на рисунке.

После запуска процесса ему выделяется адресное пространство. В памяти могут располагаться несколько процессов, причем один процесс не имеет доступ к адресному пространству другого процесса. Если объема ОЗУ не хватает для выполнения всех процессов, то выделяется виртуальная память на жестком диске, где хранится часть данных процесса. Жесткий диск, на котором располагается виртуальная память, гораздо медленнее, чем ОЗУ, поэтому в виртуальной памяти хранятся процессы, остановленные в данный момент или с самым низким приоритетом.

В рамках одного процесса могут создаваться потоки. Потоки сообща используют ресурсы, выделяемые для процесса, прежде всего, объем ОЗУ. По существу, потоки выполняются в рамках одного процесса точно так же, как процессы выполняются на одном компьютере. Но в каждый отдельный момент выполняется один процесс и один поток, только переключение между ними осуществляется очень быстро.

Основной причиной появления потоков является возможность разделения функций процесса между потоками и выполнение их параллельно. Например, некоторому процессу необходимо выполнить печать документа, однако принтер занят печатью документа другого процесса. Если процесс однопоточный, то процесс остановится и будет ждать разрешения на печать. В случае многопоточного процесса во время простоя другой поток процесса может выполнять свои функции, например, сохранить файл документа на жестком диске.

Кроме этого, создание и удаление потоков осуществляется намного быстрее, чем создание и удаление процессов, что ускоряет работу процесса в целом.

Поддержание файловой системы

На одном физическом жестком диске может размещаться один или несколько логических дисков. Физический диск – это отдельное устройство.

ОС разбивает физический диск на несколько разделов, в каждом из которых создается свой логический диск.

Каждый логический диск состоит из двух областей:

1) загрузочной области, содержащей программный код для загрузки ОС;

2) области данных, которая содержит файлы и каталоги ОС и пользователя.

Нумерация дисков осуществляется следующим образом:

A, B – дисководы для дискет;

C, D, … – логические диски на жестких дисках, дисководах CD, DVD или Blu-Ray и других ВЗУ.

Всем компьютерным приложениям необходимо хранить и получать данные. Наиболее удобной для доступа к ВЗУ оказалась система, при которой пользователь или процесс назначает для той или иной совокупности данных некоторое имя.

Файл – это поименованная конечная последовательность данных на диске.

Часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на дисках и доступ к ним, называется файловой системой.

Месторасположение файла характеризуется двумя адресами:

1) пользовательским: имя файла – это адрес, по которому пользователь может получить доступ к совокупности данных этого файла;

2) аппаратным: номера дорожки, сектора и т. п. определяет физическое месторасположение файла на ВЗУ.

Преобразование пользовательского адреса в аппаратный и обратно осуществляется с помощью файловой системы ОС.

Возможны следующие действия с файлами:

- создание: за файлом закрепляется название и выделяется место на диске;

- открытие: поиск файла на диске и выделение памяти в ОЗУ для обмена данными с файлом;

- закрытие: сохранение текущего состояния файла после действий с ним;

- изменение: модификация содержимого файла;

- копирование и перемещение файла;

- переименование: закрепление за файлом нового имени;

- удаление: освобождение места на диске, занимаемого файлом.

На любом диске обязательно присутствует корневой каталог. Корневой каталог представляет собой совокупность записей о файлах и других каталогах, которые он содержит.

Каждая запись содержит следующие параметры:

- имя файла;

- расширение файла;

- объем файла в байтах;

- дата и время создания файла;

- дата и время последнего открытия (доступа) файла;

- атрибуты файла: только для чтения; скрытый файл; системный файл; архивированный файл.

Корневой каталог имеет фиксированное место на диске и размер. Все остальные каталоги имеют такую же структуру, но могут храниться в любом месте области данных диска, как и файлы. Каталоги необходимы для упорядоченного хранения файлов.

В ОС Windows каталоги называются папками.

В ОС Windows имя файла не может превышать 255 символов и может содержать латинские и русские буквы, знаки пунктуации. В одном каталоге не может находиться двух файлов с одинаковыми именами.

Расширения файлов используются ОС, чтобы определить какую программу необходимо запустить для обработки файла с данным расширением. Расширение определяет тип файла, но не тип – расширение. Основные расширения файлов приведены в таблице.

От файловой системы требуется выполнение следующих действий:

- определение по имени файла физического расположения его частей;

- определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов.

Скорость выполнения этих операций напрямую зависит от самой файловой системы. Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач и имеют свои преимущества и недостатки.

Файловая система FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов), использующихся в ОС MS-DOS и Windows, представляют собой образ носителя в миниатюре, где детализация ведется до кластерного уровня. Поэтому операция поиска физических координат файла при его большой фрагментации будет затруднительна. Еще хуже обстоит дело с поиском свободного места для больших файлов. Приходится просматривать практически всю таблицу, поэтому быстродействие падает.

Современная файловая система NTFS (New Technology File System – файловая система нового типа) в ОС Windows XP / Vista / 7 использует более компактную форму записи, что ускоряет поиск файла. Поэтому операции с выделением места под файл проходят быстрее. Ключевое преимущество файловой системы NTFS – возможность ограничения доступа к файлам и каталогам.

Microsoft реализовала в Windows 8 новую файловую систему - ReFS (Resilient File System - отказоустойчивая файловая система). Считается, что ReFS обеспечивает лучшую защиту данных на ёмких и быстрых жестких дисках.

Согласно предложению МЭК, назвать 2⁶⁰ байт "эксабайт" общепринято, но формально неверно, как приставка экса-, означает умножение на 10¹⁸, а не 2⁶⁰. Правильной для 2⁶⁰ является двоичная приставка эксби-.

Таким образом, 1 ЭБ = 10¹⁸ Б, а 1 ЭиБ = 2⁶⁰ Б.

Папки в файловой системе структурированы в виде таблиц с файлами. Они, в свою очередь, получают определенные атрибуты, добавляемые в качестве подтаблиц, создавая иерархическую древовидную структуру. Даже свободное место на диске организовано в виде таблиц.

Наряду с реальной 64-битной нумерацией всех элементов системы это исключает появление "узких мест" при дальнейшем ее масштабировании.

Обеспечение интерфейса пользователя

По реализации интерфейса пользователя различают интерфейс командной строки и графический интерфейс.