SystemySystemyoperacyjneoperacyjne

Dr inż. Dariusz Skibicki

IIII

1. Co to jest system operacyjny

System operacyjny to program kontrolujący pracę komputera.

Dzięki systemowi operacyjnemu możliwe jest uruchamianie innych programów użytkownika. System operacyjny nadzoruje wykonywanie tych programów, udostępnia im zasoby komputera, np. pamięć, czas procesora, drukarki itp. To dzięki systemowi operacyjnemu możliwe jest zapisywanie danych na dyskach, komunikacja z innymi komputerami w sieci itd.

Komputer jako urządzenie elektroniczne nie stanowi urządzenia zdolnego wykonywać żądane przez użytkownika zadania. Maszyna komputerowa, potrafi jedynie przetestować stan urządzeń wchodzących w jego skład oraz uruchomić system operacyjny.

2.1. Sposób kodowania danych

Binarny kod, sposób zapisu informacji za pomocą dwu symboli: 0 i 1, oparty na dwójkowym systemie liczbowym.

Aby ograniczyć długość kodu binarnego wprowadzono sposób kodowania zapisu dwójkowego na ósemkowy lub szesnastkowy.

Bit, najmniejsza możliwa jednostka informacji. Może posiadać wartość 0 lub 1 (stąd system binarny używany w komputerze). Fizycznie wartość 0 oznacza brak sygnału (prąd nie płynie), zaś 1 oznacza sygnał. Osiem bitów składa się na jeden bajt. Na n bitach można zapisać 2 do potęgi n różnych wartości. Podobnie jak dla bajtów, przedrostek kilo- (kilobit) oznacza 1024 bity, megabit to 1024 kilobity, gigabit to 1024 megabity, zaś terabit oznacza 1024 gigabity.

Bajt, jednostka informacji złożona z ośmiu (najczęściej) bitów. Bajt może być samodzielnie adresowanym elementem pamięci komputera (komórka). Rozmiar bajtu dobrano tak, aby wystarczył do zapamiętania każdego znaku, np. litery, cyfry lub znaku typograficznego (a, 1, @) pupularnych kodów, np. kodu ASCII, dlatego bajt jest często utożsamiany ze znakiem.

2.2. Liczby w kodzie binarnym

• System bitowy – dwójkowyLiczba zapisywana jest ciągiem liczb: 1 lub 0

• System ósemkowy Liczba zapisywana jest ciągiem liczb: od 0 do 7 i następnie zamieniana na układ dwójkowy który po zestawieniu jest przekształcany

1 0 1 0 = 1*23 +0*22 + 1*21 +0*20 = 10

3 6 011110 = 0*25+ 1*24+ 1*23 +1*22 + 1*21 +0*20 = 30

• System szesnastkowy Podobnie jak wyżej, liczba zapisywana jest ciągiem liczb: od 0 do 15 (0 do E)

1 E 00011110 = 0*27 + 0*26+ 0*25+ 1*24+ 1*23 +1*22 + 1*21 +0*20 = 30

2.3. Co to jest plik i do czego służyPlik jest to jednostka zapisu i przechowywania danych w komputerze. Plik jest ciągiem bitów danych, opatrzony nazwą i atrybutami. Dane są zapisane w postaci kodu binarnego, zależnie od zawartości pliku. Nazwa z reguły składa się z głównej części nazwy i tzw. rozszerzenia (oddzielonego kropką).

Fragment pliku binarnego zapisanego w kodzie szesnastkowym

System operacyjny składa się z pewnej liczby plików. Wszystkie składniki systemu a także rejestry i ustawienia przechowywane są w plikach na dysku pamięci masowej.

Pliki mogą mięć następujące dodatkowe atrybuty: tylko do odczytu, tymczasowy, ukryty, archiwalny.

3.1. Zadania realizowane przez system operacyjny• Komunikacja użytkownika z komputeremTę rolę spełnia zewnętrzna warstwa systemu, nazywana powłoką (ang. shell), która umożliwia użytkownikowi uruchomienie aplikacji. Systemy operacyjne z uwagi na komunikację z użytkownikiem możemy podzielić na:

a) Systemy tekstowe b) Systemy graficzne

Wiersz poleceń

Ikona

Kursor

Okno

3.2. Zadania realizowane przez system operacyjny• Zarządzanie plikamiDane w systemie operacyjnym przechowywane są w postaci plików w urządzeniach zwanych pamięcią masową takich jak: dyski twarde, dyski elastyczne, karty pamięci. System operacyjny umożliwia użytkownikowi zarządzanie plikami dając mu możliwość ich tworzenia, kopiowania, przenoszenia i usuwania.

Plik opisany jest za pomocą następujących informacji: • nazwa pliku oraz rozszerzenie charakterystyczne dla typu pliku,• rozmiar pliku podany w bajtach (B), kilobajtach (kB), megabajtach (MB), gigabajtach (GB) itd.,• data oraz godzina utworzenia pliku• atrybuty, np. „tylko do odczytu”, „ukryty”

Typowe typy plików wraz z atrybutami

Pliki mogą być porządkowane, przez umieszczanie ich w drzewiastej strukturze katalogów

3.3. Zadania realizowane przez system operacyjny• Zarządzanie zasobami maszyny

System operacyjny obsługuje urządzenia wchodzące w skład komputera. Podstawowe zadania w tym zakresie to:

• Obsługa wewnętrznych i zewnętrznych elementów komputera takich jak: procesor, płyta główna, pamięć lub drukarka, skaner itp.

• Badanie stanu urządzeń oraz poprawności komunikacji.

• Udostępnianie urządzeń aplikacjom a tym samym użytkownikowi (np. udostępnienie drukarki w edytorze tekstu, skanera w programie graficznym, itp.),

• Chwilowe i trwałe odłączanie urządzeń od komputera.

Instalowanie urządzenia polega na pobraniu sterownika danego urządzenia, przypisaniu przerwań sprzętowych (ang. IRQ), oraz kanałów do komunikacji urządzeń z pamięcią komputera (ang. DMA).

Urządzenia widziane przez system MS Windows XP

3.4. Zadania realizowane przez system operacyjny• Uruchamianie aplikacjiSystem operacyjny nie zawiera programów użytkowych (np. edytorów tekstu, arkuszy

kalkulacyjnych, itp.). Każda z aplikacji jest dołączana do systemu operacyjnego poprzez instalację. Aplikacje będące zazwyczaj zbiorem plików, są przez system operacyjny przechowywane w pamięci masowej. System operacyjny umożliwia ich uruchomienie na żądanie użytkownika.

Systemy operacyjne z uwagi na liczbę jednocześnie wykonywanych zadań, np. uruchomionych aplikacji, dzielimy na:

• Systemy jednozadaniowe. System może jednocześnie wykonywać tylko jedno zadanie (ciąg instrukcji), (np. MS-DOS).

• Systemy wielozadaniowe. System może wykonywać w tym samym czasie kilka zadań, np. nadzorować proces drukowania w czasie edycji tekstu w programie. Typowym elementem obrazującym wielozadaniowość jest

jednoczesne kopiowanie dwóch różnych zbiorów plików

3.5. Zadania realizowane przez system operacyjny• Komunikacja z innymi maszynami

Dzięki modułom systemu operacyjnego odpowiedzialnym za obsługę sieci komputerowych możliwy jest dostęp zarówno do sieci tzw. lokalnych (intranet) jak i globalnych (Internet obejmujący swym zasięgiem cały świat).

4. Warstwy systemu operacyjnego

W każdym systemie operacyjnym występują mniej lub bardziej wyodrębnione warstwy składające się na architekturę systemu.

W ogólnym modelu systemu operacyjnego można wyszczególnić następujące warstwy przypisując im wyszczególnione zadania:• powłokę, stanowiącą interfejs użytkownika (komunikacja z użytkownikiem) , • jądro systemu realizujące jego funkcje (zarządzanie plikami, uruchamianie aplikacji),• warstwę odpowiedzialna za współpracę ze sprzętem (zarządzanie zasobami maszyny, komunikacja z innymi maszynami).

5.1. Historia systemów operacyjnych - Unix

Diagram obrazujący przemiany systemów opartych na Unix

Lata 60-te – prace na systemem Multisc poprzednikiem Unixa1969 – powstanie systemu Unix1975 – UNIX edition 51975 – 1 BSD1977 – UNIX edition 61978 – 3 BSD1979 – UNIX edition 71982 – UNIX System III1983 – UNIX System VOd 1984 – Powstanie odmian systemu Unix takich jak: Xenix, AIX, SunOS, Ultrix, HP-UX, Solaris, SVR41991 – Linux 0.011994 – Linux 11994 - do dziś – Kolejne odmiany systemów rodziny UNIX oraz odmiany Linuxa: Debian, Red HAT, SlackWare oraz ich następne modyfikacje

5.2. Historia systemów operacyjnych – MS Windows

Diagram obrazujący przemiany systemów rodziny Windows

1983 – zapowiedź Microsoft Windows1985 – prezentacja Microsoft Windows1986 – Microsoft Windows 2.031990 – Microsoft Windows 3.01992 – Microsoft Windows 3.11993 – Microsoft Windows 3.11 oraz NT1995 – Microsoft Windows 95 oraz NT 3.51996 – Microsoft Windows NT 4.01998 – Microsoft Windows 981999 – Microsoft Windows Milenium2000 – Microsoft Windows 20002001 – Microsoft Windows XP2003 – Microsoft Windows 2003 server

6.1. Systemy operacyjne - DOS

Budowa systemu DOS

DOS – (ang. Disk Operating System), czyli Dyskowy System Operacyjny firmy Microsoft. System działa w trybie tekstowym. Wszystkie polecenia wydaje się za pomocą klawiatury.

DOS jest systemem jednozadaniowym, to znaczy w dowolnej chwili tylko jeden program może pracować pod jego kontrolą.

Widok ekranu z systemem DOS

6.2. Systemy operacyjne – Microsoft Windows 3.xMicrosoft Windows 3.x to rodzina pierwszych znaczących graficznych system operacyjnym firmy Microsoft przeznaczonym dla komputerów PC. Okienka formalnie stanowiły nakładkę na system DOS, w rzeczywistości zawierały wiele cech systemu operacyjnego.

Budowa systemu MS Windows 3.1

Widok pulpitu systemu MS Windows 3.11

Windows 3.11 nie był w pełni wielozadaniowym system choć umożliwiał na uruchomienie kilku aplikacji jednocześnie

6.3. Systemy operacyjne – MS Windows 95, 98, Milenium

Budowa systemu MS Windows 95 i 98

MS Windows 95 to pierwszy 32-bitowy system operacyjny zbudowany na podstawie jego 16-bitowego poprzednika Windows 3.x

MS Windows 95 oferuje pełną wielozadaniowość tylko dla aplikacji DOS.

MS Windows 98 oraz Milenium są to systemy których budowa jest bardzo zbliżona do Windows 95. Postęp jaki jest widzoczny do 98 i Milenium dotyczy głównie interfejsu oraz mechanizmów integracji z siecią internet.

Widok pulpitu MS Windows 95, nowa rewolucyjna forma interfejsu

6.4. Systemy operacyjne – MS Windows NT, 2000

Budowa systemu MS Windows NT

System MS Windows NT jest zbudowany podobnie jak systemy rodziny UNIX choć jego interfejs przypomina ten z Windows 95. Wyznaczył on nową tendencję rozwojową dla systemów operacyjnych przeznaczonych dla stacji roboczych.

Windows NT to system w pełni wielozadaniowy. Każda uruchomiona aplikacja staje się oddzielnym procesem, dzięki czemu poprawność jej działania nie wpływa na inne uruchomione aplikacje

Widok pulpitu systemu Windows 2000, duże podobieństwo do Windows 95 lecz bardziej zaawansowana grafika i animacja

6.5. Systemy operacyjne – MS Windows XPMicrosoft Windows XP jest następcą systemu Windows 2000 w przypadku

zastosowań profesjonalnych oraz następca Windows Millennium w przypadku zastosowań domowych. System Windows XP jest zbudowany na udoskonalonym mechanizmie Windows 2000, charakteryzuje się zmienionym wyglądem i rozszerza możliwości związane z zastosowaniami komputerów osobistych, głównie poprzez rozbudowę elementów obsługi nowych urządzeń.

Widok pulpitu systemu Windows XP, stosunkowo duże zmiany graficzne w nowym interfejsie, możliwość wyboru motywu graficznego

Windows XP jest systemem Microsoft którzy może pracować w trybie 64-bitowym

6.6. Systemy operacyjne – Unix

Budowa systemu UNIX

Charakterystyczną cechą systemu Unix jest warstwowa architektura. Istotą budowy systemu jest jądro które otaczają warstwy zewnętrzne.Jak większość elementów systemu UNIX, rodzaj i wygląd interfejsu nie jest ustalony, zależy on modułów jakie zostaną włączone w skład systemu

Widok pulpitu systemu klasy UNIX o nazwie Solaris 8 ze środowiskiem OpenWindows.

UNIX to system w pełni wielozadaniowy system operacyjny

6.7. Systemy operacyjne – Linux

Widok pulpitu systemu klasy LINUX Red Hat 8 z interfejsem Gnome

Budowa systemu LINUX

Linux to typowy przedstawiciel systemów klasy UNIX. Linux jest systemem w pełni 32-bitowym (jeśli działa na 32-bitowych maszynach) lub 64-bitowym (jeśli działa na procesorze 64-bitowym).

6.8. Systemy operacyjne – BeOS

Budowa systemu BeOS

Widok pulpitu systemu BeOS 5.

Architektura systemu BeOS przypomina w pewnym stopniu architekturę Windows NT. BeOS oparty jest na mikrojądrze stanowiącym centralny element systemu.

BeOS jest systemem wielozadaniowym, którego zastowanie ukierunkowano na obsługę multimediów (grafika, dźwięk, film itp..) głównie dzięki zastowaniu 64-bitowej obsłudze systemu plików.

6.9. Systemy operacyjne – MacOSMacOS jest systemem operacyjnym z graficznym interfejsem użytkownika (GUI), działającym na komputerach Macintosh. Z tego względu przez długi czas był wzorem dla innych systemów operacyjnych. Jego architektura opiera się na tej z systemów klasy UNIX.

Widok pulpitu systemu MacOS X, doskonała grafika w interfejsie Aqua.

Z uwagi na fakt że system MacOS produkowany jest przez producenta komputerów dla których jest przeznaczony jego stabilność i niezawodność jest znacznie wieksza niż systemów rodziny Microsoft

7. Zastosowanie systemów operacyjnychDobierając system operacyjny do używanego komputera należy mieć wyobrażenie o tym, do czego będzie on wykorzystywany. Z użytkowego punktu widzenia, systemy możemy podzielić na kilka grup:

•Systemy do domu. To takie systemy, na których będą działać gry i najbardziej podstawowe narzędzia - przeglądarki internetowe, procesory tekstu, oprogramowanie do korespondencji lub internetowych pogawędek itp. Systemy tej klasy powinny umożliwiać wyświetlanie trójwymiarowej i szybkiej grafiki, obsługiwać dźwięk, być łatwe w użytkowaniu i instalacji.

•Systemy do pracy. Wykorzystywane w biurze, zarówno w małych, jak i dużych firmach. W środowisku biurowym taki system operacyjny musi zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa i stabilności. Powinien też być łatwy w administracji i zarządzaniu (szczególnie w dużych firmach, gdzie koszty zarządzania wieloma stanowiskami komputerowymi są znaczące). •Systemy serwerowe. Są to systemy dedykowane dla komputerów pełniących funkcję serwerów sieciowych. Główne cechy to wysoka stabilność ciągłej pracy oraz duża wydajność. Takie systemy posiadają rozbudowane narzędzia administracyjne oraz kontrolno-diagnostyczne i zabezpieczające.

GUI - Graficzny interfejs użytkownika. W GUI wyposażone są nowoczesne systemy operacyjne, jak Windows, Mac OS czy OS/2. Typowymi elementami GUI są okna, rozwijane menu, przyciski, paski przewijania, ikony i zakładki. Użytkownik korzysta z interfejsu za pomocą myszy i klawiatury., Klikając na graficzne reprezentacje poleceń zamiast wpisywać z klawiatury komendy. Programy napisane dla danego systemu operacyjnego zapożyczają i wykorzystują elementy jego graficznego interfejsu użytkownika - wygląd jego okien, przycisków, kolorystykę itd. Od ang. Graphical User Interface. Por. tekstowy interfejs użytkownika.

API - Zbiór poleceń, za pomocą których programista wykorzystuje różne funkcje systemu operacyjnego lub uzyskuje od niego informacje. Część z tych poleceń można stworzyć samemu od podstaw (możliwość skorzystania z gotowych oszczędza jednak wiele pracy), ale istnieje także wiele poleceń API, których nie można zastąpić innymi. API na przykład pozwala bardzo szybko tworzyć graficzny interfejs użytkownika (GUI). Polecenia API są także zalecanym sposobem komunikowania się z urządzeniami, np. z drukarką. Od ang. Application Programming Interface - interfejs programowania aplikacji.

Wielozadaniowość - cecha systemu operacyjnego, która pozwala uruchomić i wykorzystywać więcej niż jedną aplikację w tym samym czasie. Można więc jednocześnie np. kopiować pliki, drukować na drukarce i dokonywać obliczeń w arkuszu kalkulacyjnym.

Wielozadaniowość z wywłaszczaniem - W trybie wielozadaniowości z wywłaszczaniem system decyduje, jak długo aplikacja korzysta z procesora i gdy ten czas upływa, przekazuje kontrolę nad nim kolejnej aplikacji (poprzednia zostaje wywłaszczona). W ten sposób zawieszony program nie może zawiesić całego systemu. Z wielozadaniowości z wywłaszczaniem korzystają systemy: OS/2, Windows 9x, Windows NT, Linux, UNIX.

8.1. Słowniczek

Rejestr Windows - Baza danych w Windows 9x i Windows NT. Są w niej przechowywane wszystkie informacje niezbędne systemowi operacyjnemu do poprawnej pracy dotyczące m.in. użytkowników, urządzeń podłączonych do komputera i ich konfiguracji, a także zainstalowanych programów. Uszkodzenia Rejestru prowadzą zwykle do niemożności korzystania z programów, a często nawet do konieczności reinstalacji systemu operacyjnego. Rejestr w systemach Windows 9x jest przechowywany w plikach o nazwie USER.DAT i SYSTEM.DAT.

Sterownik - program kontrolujący pracę przyłączonego do komputera urządzenia. Nowoczesne systemy operacyjne, zawierają wiele wbudowanych sterowników do popularnych (do a do tych niepopularnych) typów urządzeń, dzięki czemu łatwiejsze jest rozpoznanie urządzenia i tym samym zainstalowanie go. Jeśli system operacyjny nie zawiera wbudowanego sterownia możliwe jest doinstalowanie go.

Jądro systemu (kernel) - Najważniejszy komponent każdego systemu operacyjnego, wykonuje podstawowe operacje takie jak uruchamianie programów, przyznawanie zasobów aplikacjom (odpowiada m.in. za wielozadaniowość), obsługa urządzeń oraz daty i czasu. Kernel jest ładowany do pamięci komputera jako jeden z pierwszych komponentów.

Stabilność systemu operacyjnego – Cecha systemu operacyjnego charakteryzująca poprawną pracę systemu wraz ze wzrastającą ilością przetwarzanych zadań oraz upływem czasu od uruchomienia systemu.

8.2. Słowniczek

System plików - Sposób, w jaki komputer organizuje pliki i katalogi na nośniku danych. System plików określa to, jak informacje są zapisywane i odczytywane. System plików definiuje także wielkość klastrów, możliwe do użycia atrybuty plików oraz schemat poprawnych nazw plików i katalogów - ich długość i dopuszczalne znaki w nazwach. Najpopularniejsze systemy plików to FAT16 (stosowany w MS-DOS, Windows 9x i Windows NT), FAT32 (Windows 95 OSR2 i Windows 98) oraz NTFS (Windows NT). Jedynym wspólnym systemem plików wszystkich wersji Windows i MS-DOS jest FAT16. Inne popularne systemy plików to: HPFS, CDFS i VFAT.

Stronicowanie pamięci (angielskie paging),- jest to sposób zarządzania pamięcią, w którym obszar wykonywanego procesu nie musi być ciągły, dzięki czemu można unikać kosztownych reorganizacji procesów w pamięci. Poszczególne logiczne strony procesu są pomieszczone w ramkach pamięci sprzętowej, przy czym związek między stronami a ramkami jest utrzymywany za pomocą sprzętowej tablicy stron. Stronicowanie usuwa fragmentację zewnętrzną, wprowadza jednak fragmentację wewnętrzną. Stronicowanie odbywa się przy udziale sprzętu komputera.

Bitowość systemu (ilu bitowy może być system?) - Dość powszechne jest określanie systemów jako 16-bitowe (DOS, Windows), 32-bitowe (Linux, Windows NT) czy też ostatnio 64-bitowe (Windows XP). Długość rejestrów procesora, dla którego projektowany jest system, wyznacza podstawowy format wewnętrznych zmiennych, znaczników i tablic systemowych, długość ta wyznaczana jest bitach. Ze względu na szybkość działania systemu najchętniej stosowane są zmienne o długości odpowiadającej długości rejestrów procesora, co pociąga za sobą pewne konsekwencje. Na przykład, konsekwencją stosowania 16-bitowych zmiennych systemowych były ograniczenia wielkości partycji dyskowych, a w późniejszym okresie – również pojemności całych dysków. Także sposób zarządzania innymi zasobami, przede wszystkim pamięcią RAM, zależy od długości słowa procesora.

8.3. Słowniczek

9. Pytania

Przykładowe pytania egzaminacyjne:

• Opisz zadania systemu operacyjnego.

• Wyjaśnij pojęcie warstw systemu operacyjnego.