Операційна система

     Операційна  система — це базовий комплекс програмного забезпечення, що виконує управління апаратним забезпеченням комп'ютера або віртуальної машини; забезпечує керування обчислювальним процесом і організує взаємодію з користувачем.

     Операційна  система звичайно складається з ядра операційної системи та базового набору прикладного програмного забезпечення. 

     Основні принципи побудови операційних  систем 

     Принцип модульності

     Модуль - функціонально закінчений елемент системи, що відповідає вимогам між модульного інтерфейсу. З визначення випливає, що один модуль можна замінити на інший. Способи відокремлення окремих частин ОС можуть розрізнятися, але найчастіше поділ відбувається за функціональним принципом.

     Особливо  важливе значення при побудові ОС мають модулі, що дозволяють більш ефективно використовувати ресурси обчислювальної системи:

     - Привілейовані;

     - Повторно вихідні;

     - Реентерабельним.

     У деяких ОС реентерабельним досягається автоматично:

     - При незмінності кодових частин  програми при виконанні;

     - При автоматичному розподілі регістрів;

     - При автоматичному відділенні  кодових частин програм від  даних і приміщенні даних у  системну область пам'яті.

     Принцип модульності відбиває технологічні й експлуатаційні властивості ОС. Найбільший ефект досягається при  поширенні принципу модульності на ОС, прикладні програми та апаратуру. 

     Принцип функціональної вибірковості

     Частина модулів, які повинні постійно перебувати в оперативній пам'яті для більш  ефективної організації обчислювального  процесу, називається ядром ОС. При  формуванні складу ядра слід враховувати два суперечливих вимоги:

     - До складу ядра мають увійти  найбільш часто використовувані  системні модулі;

     - Кількість модулів повинно бути  таким, щоб обсяг пам'яті, займаний  ядром, не був занадто великим.

     До  складу ядра входять, як правило, наступні модулі:

     - Модулі з управління системою  переривань;

     - Засоби по перекладу програм  зі стану виконання в стан  очікування, готовності і назад;

     - Кошти з розподілу основних  ресурсів: оперативної пам'яті і  процесорного часу.

     Транзитні програмні модулі завантажуються в пам'ять тільки при необхідності і в разі відсутності вільного дискового простору можуть бути заміщені іншими транзитними модулями. 

     Принцип генерованої ОС

     Принцип генерованої - можливість налаштовувати системну супервизорну частину (ядро та основні компоненти), виходячи з конкретної конфігурації обчислювального комплексу і класу вирішуваних завдань. Процедура генерації проводиться за допомогою програми-генератора і мови опису вхідних даних для цієї програми. У результаті генерації виходить повна версія ОС - сукупність системних наборів модулів і даних.

     Принцип модульності позитивно проявляється при генерації ОС. Він спрощує  настройку ОС на необхідну конфігурацію обчислювальної системи. Принцип генерується  реалізований в ОС, типу UNIX. 

     Принцип функціональної надмірності

     Цей принцип дає можливість проведення однієї і тієї ж роботи різними  способами. До складу ОС може входити:

     - Кілька типів планувальників (модулів  супервізора, керуючих тим чи  іншим видом ресурсів);

     - Різні засоби організації зв'язку між обчислювальними процесами. 

     Це  дає можливість користувачам:

     - Швидко і найбільш адекватно  адаптувати ОС до визначеної  конфігурації обчислювальної системи;

     - Забезпечити максимально ефективну  завантаження технічних засобів  при вирішенні конкретного класу задач;

     - Отримати максимальну продуктивність  при рішенні заданого класу  задач. 

Принцип віртуалізації 

     Побудова  віртуальних ресурсів, їхній розподіл і використання в даний час  має місце майже в кожній ОС. Цей принцип дозволяє представити структуру системи у вигляді певного набору планувальників процесів і розподільників ресурсів і використовувати єдину централізовану схему розподілу ресурсів.

     Поняття віртуальна машина є підсумком концепції  віртуальності. Будь яка ОС, будучи засобом розподілу ресурсів і організовуючи за певними правилами управління процесами, приховує від користувача і його додатків реальні апаратні й інші ресурси, замінюючи їх абстракціями. Користувач бачить віртуальну машину як якийсь пристрій, здатне сприймати його програми і команди. Користувача не цікавить реальна конфігурація обчислювальної системи і способи управління її компонентами. Він оперує з тими ресурсами, які йому надані в рамках віртуальної машини.

     Віртуальна  машина, що надається користувачеві, відтворює архітектуру реальної машини, але архітектурні елементи в такому поданні мають нові або поліпшені характеристики, часто спрощують роботу з системою. Характеристики можуть бути довільними, але зазвичай користувачі хочуть бачити ідеальну за своїми архітектурними характеристиками машину:

     - Однакова по логіці роботи  пам'ять практично необмеженого  обсягу. Середній час доступу  порівнянно з часом доступу  до оперативної пам'яті. Організація  роботи з інформацією в такій  пам'яті виробляється в термінах  обробки даних на рівні обраного користувачем мови програмування;

     - Довільну кількість (віртуальних)  процесорів, здатних працювати паралельно  і взаємодіяти під час роботи. Способи управління процесорами  (синхронізація та інформаційні  взаємодії) реалізовані і доступні  користувачам на рівні використовуваної мови в термінах керування процесами;

     - Довільну кількість (віртуальних)  зовнішніх пристроїв, здатних  працювати з пам'яттю віртуальної  машини паралельно або послідовно, асинхронно чи синхронно стосовно  роботи того чи іншого віртуального процесора, що ініціюють роботу цих пристроїв. Інформація, що зберігається або передається на віртуальні пристрої, не обмежена припустимими розмірами. Доступ до такої інформації здійснюється на основі або послідовного, або прямого способу доступу в термінах відповідної системи управління файлами. Передбачено розширення інформаційних структур даних, збережених на віртуальних пристроях. 

     Ступінь наближення до «ідеальної» віртуальній машині може бути більшою чи меншою в кожному конкретному випадку. Чим більше віртуальна машина, реалізована засобам ОС на базі конкретної апаратури, наближена до ідеальної за характеристиками машині, чим більше її архітектурно-логічні характеристики відмінні від реально існуючих, тим більше ступінь віртуальності у отриманої користувачем машини. 

     Принцип незалежності програм  від зовнішніх  пристроїв 

     Цей принцип в даний час реалізується в переважній більшості сучасних ОС загального призначення. Принцип  незалежності полягає в тому, що зв'язок програм з конкретними пристроями виробляється не на рівні трансляції програм, а в період планування її виконання. При роботі з новим пристроєм для зберігання даних перекомпіляція не потрібно.

     Принцип незалежності дозволяє однаково здійснювати операції керування зовнішніми пристроями незалежно від конкретних фізичних характеристик. Зміна носія і даних, розміщених на ньому, не принесе жодних змін в програму, якщо в системі реалізований принцип незалежності. 

     Принцип сумісності 

     Одним з аспектів сумісності є здатність  ОС виконувати програми, написані:

     - Для інших ОС;

     - Для більш ранніх версій даної  операційної системи;

     - Для іншої апаратної платформи.

     Працює  підрозділяється на два аспекти:

     - Двійкова сумісність;

     - Сумісність на рівні вихідних текстів додатків. 

     При двійковій сумісності можна взяти  виконувану програму і виконати її в середовищі іншої ОС. Для цього  необхідні:

     - Сумісність на рівні команд  процесора;

     - Сумісність на рівні системних  викликів;

     - Сумісність на рівні бібліотечних викликів, якщо вони є динамічно пов'язуємо. 

     Працює  на рівні вихідних текстів вимагає:

     - Наявності відповідного транслятора  в складі системного програмного  забезпечення;

     - Сумісності на рівні бібліотек  і системних викликів.

     Необхідно перекомпілювати наявні вихідні тексти в новий виконуваний модуль. 

     Одним із засобів забезпечення сумісності програмних і користувацьких інтерфейсів  є відповідність стандартам POSIX. Використання стандарту POSIX дозволяє створювати програми в стилі UNIX, які можуть легко переноситися з однієї ОС в іншу. 

     Принцип відкритої і нарощуваної  ОС 

     Відкрита  ОС доступна для аналізу як системним  фахівцям, обслуговуючим обчислювальну  систему, так і користувачам. Нарощувана ОС дозволяє не тільки використовувати  можливості генерації, але і вводити в склад ОС нові модулі, удосконалювати старі і т.д.

     Цей принцип вимагає, щоб можна було легко внести доповнення і зміни  в ОС, якщо буде потрібно, і не порушити цілісність ОС.

     До  відкритих систем в першу чергу  відносяться UNIX-подібні системи. 
 
 

     Принцип мобільності (переносимості) 

     Операційна  система повинна відносно легко  переноситися:

     - З процесора одного типу на  процесор іншого типу;

     - З апаратної платформи (архітектури  обчислювальної системи) одного  типу на апаратну платформу  іншого типу.

Принцип переносимості близький принципом  сумісності, але це не одне і те ж.

     Написання стерпної ОС, як і будь переносимої  програми, має слідувати певним правилам:

     - Більша частина операційної системи  повинна бути написана на мові, яка є у всіх обчислювальних системах, на які планується надалі її переносити. Це повинен бути стандартизована мова високого рівня, наприклад, мова С. програми, написані на асемблері, в загальному випадку не є стерпними;

     - Мінімізувати або виключити ту  частину коду, яка безпосередньо взаємодіє з апаратурою. Якщо апаратний код не може бути виключений, він повинен бути ізольований у декількох модулях. 

     Принцип забезпечення безпеки  обчислень 

     Забезпечення  безпеки при виконанні обчислень  є бажаною властивістю для  будь багатокористувацької системи. Правила безпеки визначають такі властивості:

     - Захист ресурсів одного користувача  від інших;

     - Установка квот по ресурсах  для запобігання захоплення одним  користувачем усіх системних  ресурсів. 

     Забезпечення  безпеки інформації від несанкціонованого доступу є обов'язковою функцією мережевих операційних систем. У багатьох сучасних ОС гарантується ступінь безпеки даних, що відповідають рівню С2 у системі стандартів США.