Введение в операционные системы

Архитектура операционных систем
Теория
Автор
принадлежность

Бизюк Андрей

ВГТУ

Дата публикации

3 декабря 2024 г.

Введение

Операционные системы (ОС) - это программное обеспечение, устанавливаемое на компьютер или другое вычислительное устройство, которое управляет и координирует его работу. ОС служит промежуточным слоем между аппаратным обеспечением (железом) и прикладными программами (пользовательскими приложениями).

Что такое операционная система?

ОС выполняет несколько ключевых функций:

  1. Управление аппаратными ресурсами: ОС управляет использованием аппаратных компонентов компьютера, таких как процессор, память, устройства ввода-вывода (например, клавиатура, мышь, принтеры) и диски. Она распределяет ресурсы между разными задачами (программами) и контролирует доступ к ним.

  2. Предоставление интерфейса: ОС предоставляет пользователю интерфейс для взаимодействия с компьютером. Это может быть графический интерфейс (GUI), который позволяет пользователю работать с компьютером, используя окна, иконки и меню, или командная строка, где пользователь вводит команды текстом.

  3. Управление файлами и данными: ОС обеспечивает создание, чтение, запись, перемещение и удаление файлов и каталогов. Она также следит за организацией файловой системы.

  4. Обеспечение безопасности: ОС контролирует доступ пользователей к данным и ресурсам. Она обеспечивает аутентификацию пользователей и управление правами доступа, чтобы предотвратить несанкционированный доступ.

  5. Управление сетями: В многопользовательских системах ОС поддерживает сетевые соединения и обмен данными между компьютерами через сеть.

  6. Обработка ошибок: ОС отслеживает и обрабатывает ошибки, которые могут возникнуть при выполнении задач, и позволяет пользователю или администратору системы узнать о них.

История операционных систем

История операционных систем начинается с появления первых компьютеров. С течением времени ОС стали более сложными и функциональными. Важными этапами развития являются:

Архитектура Фон-Неймана

Архитектура фон Неймана, также известная как архитектура фон Неймана-Морганстерна, является одной из основных архитектур компьютеров и лежит в основе большинства современных компьютерных систем. Эта архитектура была разработана математиком и инженером Джоном фон Нейманом в середине 1940-х годов и стала фундаментальным принципом для построения вычислительных устройств. Архитектура фон Неймана обладает следующими основными характеристиками:

  1. Центральное устройство управления (ЦУ): В архитектуре фон Неймана есть единое устройство, называемое Центральным Устройством Управления (ЦУ), которое управляет всеми операциями в компьютере.

  2. Память: Компьютер с архитектурой фон Неймана имеет одну общую память, где хранятся как данные, так и инструкции для выполнения. Это отличает его от предыдущих архитектур, в которых инструкции и данные хранились в разных устройствах.

  3. Процессор (Центральный процессор): Процессор выполняет операции, читает инструкции и данные из памяти, обрабатывает их и записывает результаты обратно в память.

  4. Инструкции: Компьютер с архитектурой фон Неймана работает с программами, представленными в виде инструкций, которые хранятся в памяти. Процессор последовательно извлекает инструкции, декодирует их и выполняет соответствующие операции.

  5. Программируемость: Эта архитектура обеспечивает программную управляемость, что означает, что компьютер может быть программирован для выполнения различных задач путем изменения программы, хранящейся в памяти.

  6. Адресация памяти: Для доступа к данным и инструкциям используется адресация памяти. Каждая ячейка памяти имеет уникальный адрес, и процессор использует эти адреса для чтения и записи данных.

  7. Последовательная обработка: Компьютер с архитектурой фон Неймана выполняет инструкции последовательно, по одной за раз. Однако эта архитектура допускает параллельное выполнение операций на уровне аппаратного обеспечения.

  8. Универсальность: Архитектура фон Неймана предоставляет универсальность, что означает, что компьютер может быть программирован для выполнения широкого спектра задач, включая математические вычисления, обработку текста, графику и многое другое.

Архитектура фон Неймана стала фундаментом для развития современных компьютеров и позволила создавать универсальные и программно настраиваемые системы, которые способны выполнять разнообразные задачи. Эта архитектура является основой для большинства персональных компьютеров, серверов и других вычислительных устройств, которые мы используем сегодня.

1940-е

1940-е годы были периодом раннего развития компьютерных технологий, и операционные системы того времени сильно отличались от современных систем. Вот несколько ключевых событий и моментов в истории операционных систем в 1940-х:

  1. ENIAC: В 1945 году завершилась разработка ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), одного из первых электронных цифровых компьютеров. ENIAC не имела операционной системы в современном смысле, и ее программирование осуществлялось с помощью подключения кабелей и переключения переключателей.

  2. EDVAC: EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) был следующим важным этапом в развитии компьютеров. Этот проект начался в 1945 году, и в 1949 году была опубликована концепция хранимой программы, которая позволила компьютеру загружать и выполнять программы из памяти, что стало важной частью будущих операционных систем.

  3. UNIVAC I: UNIVAC I (Universal Automatic Computer I) был одним из первых коммерческих компьютеров и начал использоваться в 1950 году. Он также не имел современной операционной системы, но его программирование было менее зависимым от аппаратуры, чем у ENIAC.

  4. Системы управления заданиями: В это время начали появляться системы, которые облегчали управление заданиями на компьютере. Они позволяли пользователям отправлять программы на выполнение и следить за состоянием выполнения.

  5. Многозадачность и планирование ресурсов: В 1940-е годы стали появляться идеи о многозадачности и планировании ресурсов, хотя на практике они были реализованы только в будущих десятилетиях.

  6. Операционные системы для военных целей: Во время Второй мировой войны были созданы ранние компьютеры и операционные системы для военных целей, такие как расчеты артиллерийских таблиц.

  7. Примитивные языки программирования: В 1940-х годах начали появляться ранние языки программирования, такие как машинные коды и ассемблеры, что облегчило процесс программирования.

  8. Организация ввода-вывода: Важным аспектом операционных систем стало управление устройствами ввода-вывода, и в это десятилетие начали разрабатываться механизмы для более эффективной работы с устройствами.

В целом, 1940-е годы были периодом экспериментов и первых шагов в развитии компьютеров и операционных систем. Большинство концепций и технологий, связанных с операционными системами, начали развиваться в более поздние десятилетия.

1950-е

История операционных систем в 1950-е годы является начальным этапом развития компьютерных систем и операционных систем. В этот период компьютеры были гораздо менее мощными и гораздо менее доступными, чем современные компьютеры, и операционные системы были в основном разработаны для управления этими ранними машинами. Вот некоторые ключевые события и разработки операционных систем в 1950-х:

  1. IBM 650: IBM 650 был одним из первых коммерчески успешных компьютеров, выпущенных IBM. Он использовал операционную систему “IBM 650 Magnetic Drum Data-Processing Machine Operating System”, которая позволяла выполнять задания, сохранять программы на магнитных барабанах и взаимодействовать с устройствами ввода-вывода.

  2. Fortran (Formula Translation): В середине 1950-х был разработан язык программирования Fortran, который был предназначен для научных и инженерных вычислений. Этот язык был одним из первых высокоуровневых языков программирования и имел свою систему компиляции и выполнения.

  3. Lisp: В 1958 году был разработан язык программирования Lisp (List Processing), который стал одним из первых языков искусственного интеллекта и имеет свою систему выполнения программ.

  4. Семейство операционных систем General Motors (GM-NAA I/O): В рамках проекта General Motors-North American Aviation (GM-NAA) была разработана система операционных систем, предназначенных для большого количества различных компьютеров и устройств, таких как UNIVAC I, IBM 701, и даже первых компьютеров Control Data Corporation (CDC).

  5. Операционные системы для научных целей: В это время операционные системы были разработаны и использовались для решения научных задач, а также для симуляции физических процессов, таких как ядерные испытания.

  6. Основы концепций операционных систем: В 1950-е были заложены основы многих концепций операционных систем, таких как управление памятью, планирование задач, обработка ввода-вывода и организация файловых систем.

Этот период является начальной точкой в развитии операционных систем, и с течением времени операционные системы становились все более сложными и мощными, отвечая потребностям современных компьютерных систем.

1960-е

1960-е годы были важным периодом в развитии операционных систем, поскольку в этот период было много новых и значимых разработок и событий в мире компьютеров. Вот несколько ключевых моментов и событий в истории операционных систем в 1960-е:

  1. IBM System/360: В 1964 году IBM представила серию компьютеров System/360, которая стала одной из самых важных разработок десятилетия. Она включала в себя множество моделей, начиная с маленьких машин и заканчивая мощными мейнфреймами. Для этой серии была разработана система операционных систем, известная как OS/360, включая MFT (Multiple Fixed Tasks) и MVT (Multiprogramming with a Variable number of Tasks).

  2. IBM OS/360: Операционная система OS/360, созданная для IBM System/360, была одной из первых операционных систем, которая предоставляла поддержку многозадачности и многопользовательской работы. Она стала популярной в корпоративных средах.

  3. Multics (Multiplexed Information and Computing Service): Multics была совместной разработкой MIT, Bell Labs и General Electric и явилась одной из первых операционных систем, ориентированных на многозадачность и многопользовательскую работу. Она оказала влияние на будущие операционные системы, включая Unix.

  4. Развитие Unix: В начале 1960-х Ken Thompson и Dennis Ritchie начали разрабатывать операционную систему Unix в Bell Labs. Unix была разработана как простая, но мощная система, предназначенная для программирования и работы в многозадачном режиме. Впоследствии Unix стала одной из самых важных операционных систем и стала основой для многих других ОС.

  5. Операционные системы для мини-компьютеров: В 1960-е годы стали появляться мини-компьютеры, и для них были разработаны операционные системы, такие как OS/8 для компьютеров PDP-8 от DEC и RSX-11 для компьютеров PDP-11.

  6. Операционные системы для ввода-вывода: В этот период были разработаны специализированные операционные системы для управления устройствами ввода-вывода, такие как система IBSYS для IBM 7090/7094.

  7. Операционные системы для первых временных долиаровых вычислительных машин: В 1960-е годы начали использоваться первые временные долиаровые вычислительные машины, и для них также разрабатывались операционные системы.

  8. Появление архитектуры суперкомпьютеров: В 1960-е годы начали появляться первые суперкомпьютеры, такие как CDC 6600, и для них создавались специализированные операционные системы.

  9. Развитие языков программирования: В этот период также продолжилось развитие высокоуровневых языков программирования, что повлияло на операционные системы и их совместимость с прикладными программами.

Итак, 1960-е годы были важным этапом в развитии операционных систем, с появлением многозадачности, многопользовательской работы и новых архитектур компьютеров. Операционные системы стали более мощными и адаптированными к разнообразным вычислительным средам.

1970-е

1970-е годы были периодом значительных изменений и инноваций в области операционных систем. Этот десятилетие ознаменовалось важными событиями, разработками и развитием компьютерной технологии. Вот несколько ключевых моментов и событий в истории операционных систем в 1970-е годы:

  1. UNIX: Разработка операционной системы UNIX началась в 1960-х годах в Bell Labs, но 1970-е годы стали пиком ее популярности и распространения. UNIX была разработана как портируемая и многозадачная система с открытым исходным кодом. Она внесла значительный вклад в развитие операционных систем и стала основой для многих других ОС, включая Linux.

  2. Microsoft: В 1970-х годах Билл Гейтс и Пол Аллен основали компанию Microsoft.

  3. CP/M: В начале 1970-х Гари Кильдолл разработал операционную систему CP/M (Control Program for Microcomputers), которая стала одной из первых ОС для микрокомпьютеров и имела широкое распространение в этом сегменте.

  4. Мейнфреймы и мини-компьютеры: IBM продолжала разрабатывать и улучшать операционную систему для своих мейнфреймов, включая системы серии OS/360 и более поздние версии, такие как MVS (Multiple Virtual Storage) и VM/CMS (Virtual Machine/Conversational Monitor System). Мини-компьютеры также получили свои операционные системы, такие как RSX-11 и RSTS/E для компьютеров DEC PDP.

  5. Сетевые операционные системы: В 1970-е годы началось развитие сетевых операционных систем, что позволило компьютерам взаимодействовать в сети. Это привело к созданию различных сетевых протоколов и систем, таких как ARPANET (предшественник интернета) и операционные системы, спроектированные для сетевой работы.

  6. Развитие файловых систем: Операционные системы стали предоставлять более сложные и эффективные файловые системы для хранения и организации данных, такие как файловая система UFS (Unix File System) в UNIX и файловая система FAT (File Allocation Table) в MS-DOS.

  7. Операционные системы для суперкомпьютеров: В это десятилетие стали разрабатываться операционные системы для суперкомпьютеров, что позволило решать более сложные научные и инженерные задачи.

  8. Развитие языков программирования: В 1970-е годы продолжилось развитие языков программирования, что также повлияло на операционные системы и их совместимость с прикладными программами.

Эти события и разработки сформировали основу для современных операционных систем и определили направления их развития. 1970-е годы были периодом активного исследования и инноваций в области операционных систем, что сделало возможным более широкое использование компьютеров и сетей в различных сферах деятельности.

1980-е

1980-е годы были периодом быстрого развития компьютерной технологии и операционных систем. В этот десятилетие произошло много событий, которые оказали глубокое влияние на современные ОС и компьютерную индустрию. Вот несколько ключевых моментов и событий в истории операционных систем в 1980-е годы:

  1. IBM PC и MS-DOS: В 1981 году IBM выпустила персональный компьютер IBM PC, который стал широко распространенным стандартом. Операционной системой для этой машины был MS-DOS (Microsoft Disk Operating System), который был разработан фирмой Microsoft. MS-DOS стал одной из самых популярных ОС для персональных компьютеров и стимулировал рост индустрии ПК.

  2. Apple Macintosh и Mac OS: В 1984 году Apple выпустила компьютер Macintosh с графическим пользовательским интерфейсом (GUI) и операционной системой Mac OS. Это стало началом широкого распространения графических интерфейсов на ПК.

  3. Microsoft Windows: В конце 1980-х годов Microsoft разработала операционную систему Windows, предназначенную для работы на компьютерах с графическим интерфейсом. Первая версия, Windows 1.0, была выпущена в 1985 году.

  4. Unix и Linux: В это десятилетие Unix продолжала развиваться и становиться более доступной и распространенной. В 1983 году Ричард Столлман начал проект GNU, который включал в себя разработку свободной операционной системы. Linux, основанный на ядре Linux и совмещенный с GNU-компонентами, был выпущен Линусом Торвальдсом в 1991 году.

  5. Операционные системы для серверов: С появлением серверов и сетей возникла потребность в операционных системах для управления серверами и обеспечения надежности и безопасности. Примерами таких ОС являются Novell NetWare и IBM AIX.

  6. Операционные системы для переносных устройств: В 1980-е годы стали появляться первые портативные компьютеры и мобильные устройства. Это привело к разработке специализированных ОС, таких как Palm OS для КПК и некоторых версий DOS для ноутбуков.

  7. BSD Unix: BSD Unix (Berkeley Software Distribution) стала одной из популярных вариаций Unix, которая включала в себя множество улучшений и дополнений.

  8. Операционные системы для суперкомпьютеров: Суперкомпьютеры продолжали развиваться, и в это десятилетие были разработаны ОС, специализированные для работы на суперкомпьютерах, что позволило решать более сложные научные и инженерные задачи.

  9. Мультитаскинг и многозадачность: 1980-е годы стали временем активного внедрения мультитаскинга и многозадачности в ОС. Это позволило пользователям выполнять несколько задач одновременно.

  10. Сетевые операционные системы: С распространением компьютерных сетей стали появляться сетевые операционные системы, способные управлять сетевой инфраструктурой и обеспечивать обмен данными между компьютерами.

В результате этих разработок 1980-е годы оставили огромный след в мире операционных систем и внесли важный вклад в развитие компьютерной индустрии и технологии.

1990-е

1990-е годы были важным периодом в развитии операционных систем. В это десятилетие произошло множество событий и инноваций, которые сильно повлияли на ход компьютерной индустрии и способ использования компьютеров. Вот несколько ключевых моментов и событий в истории операционных систем в 1990-е:

  1. Microsoft Windows 3.0 и 3.1: В начале 1990-х годов Microsoft выпустила Windows 3.0 и затем Windows 3.1. Эти версии операционной системы Windows принесли популярность графическому пользовательскому интерфейсу и стали первыми широко распространенными версиями Windows.

  2. Windows 95: В 1995 году Microsoft выпустила Windows 95, которая стала одной из наиболее значимых версий Windows. Она внесла множество улучшений, включая поддержку Plug and Play, графический интерфейс, стартовую кнопку и многозадачность.

  3. Windows NT: В 1993 году Microsoft представила операционную систему Windows NT, предназначенную для корпоративных клиентов. Она была основана на мощном ядре NT и обеспечивала надежность и безопасность.

  4. Linux и Open Source Movement: В это десятилетие Linux продолжала расти в популярности и стала важной альтернативой для пользователей и организаций, ищущих открытое программное обеспечение. Это также способствовало развитию движения с открытым исходным кодом.

  5. Mac OS переходит на PowerPC: Apple перешла с архитектуры Motorola 68k на процессоры PowerPC в середине 1990-х годов. Этот переход потребовал разработки новой версии операционной системы Mac OS для новой архитектуры.

  6. Операционные системы для мобильных устройств: В это десятилетие началось развитие операционных систем для мобильных устройств. Например, Palm OS стала популярной для КПК, а Nokia выпустила свою версию операционной системы для мобильных телефонов.

  7. Windows 98 и Windows 2000: Microsoft выпустила Windows 98 и Windows 2000, которые внесли улучшения в пользовательский интерфейс, стабильность и сетевые возможности.

  8. Распространение Интернета и сетевые операционные системы: Развитие интернета привело к появлению сетевых операционных систем и систем управления серверами для обеспечения хостинга веб-сайтов и приложений.

  9. Операционные системы для игровых консолей: В 1990-е годы были выпущены популярные игровые консоли, такие как Sony PlayStation и Nintendo 64, и для них были разработаны специализированные операционные системы.

  10. Мультимедийные операционные системы: Разработка мультимедийных технологий привела к появлению операционных систем, специализированных на обработке аудио и видео данных.

Эти события и разработки сформировали современный ландшафт операционных систем и важным образом повлияли на способы использования компьютеров и устройств. Операционные системы стали более мощными, удобными и адаптированными к различным платформам и потребностям пользователей.

2000-е и после

2000-е годы были периодом продолжающегося развития и инноваций в мире операционных систем. Это десятилетие характеризовалось ростом мобильных и персональных вычислительных устройств, расширением интернета и усилением фокуса на безопасности и сетевой связности. Вот несколько ключевых событий и моментов в истории операционных систем в 2000-е:

  1. Windows XP: В 2001 году Microsoft выпустила операционную систему Windows XP, которая стала одной из самых популярных версий Windows. Windows XP внесла множество улучшений в пользовательский интерфейс и стала более стабильной по сравнению с предыдущими версиями.

  2. Мобильные операционные системы: В 2000-е годы мобильные операционные системы стали широко распространенными благодаря популярности смартфонов. Наиболее известными мобильными ОС стали Apple iOS, Google Android и Microsoft Windows Mobile (затем заменена на Windows Phone).

  3. ОС для серверов: Операционные системы для серверов продолжили развиваться, с улучшенной поддержкой виртуализации и управлением ресурсами.

  4. Linux на рабочих станциях и серверах: Linux стал более популярным и получил широкое распространение как операционная система для серверов и рабочих станций.

  5. Mac OS X: Apple выпустила Mac OS X (или macOS), базирующуюся на Unix, что улучшило стабильность и производительность операционной системы для компьютеров Mac.

  6. Windows Vista и Windows 7: Microsoft выпустила Windows Vista в 2007 году и Windows 7 в 2009 году. Windows Vista стала менее популярной из-за проблем с производительностью и совместимостью, но Windows 7 была хорошо принята пользователями.

  7. Развитие виртуализации: Технологии виртуализации стали все более важными для серверов и рабочих станций, и появились специализированные операционные системы для виртуализации, такие как VMware ESXi и Microsoft Hyper-V.

  8. Мобильные и планшетные операционные системы: Развитие смартфонов и планшетных устройств привело к появлению операционных систем, специализированных для этих платформ, таких как iOS и Android.

  9. Операционные системы для игровых консолей: В этот период были выпущены новые поколения игровых консолей, такие как Xbox 360, PlayStation 3 и Nintendo Wii, с собственными операционными системами.

  10. Рост интернета и облачных вычислений: Рост интернета и облачных вычислений привел к созданию операционных систем и платформ для облачных приложений и хранилищ.

  11. Усиление безопасности: В связи с угрозами безопасности в сети и вирусами были разработаны более надежные механизмы безопасности и антивирусные продукты.

  12. Операционные системы для умных устройств: С появлением умных устройств и интернета вещей (IoT) стали разрабатываться операционные системы, специализированные для таких устройств.

Эти события и разработки определили ход развития операционных систем в 2000-е годы и подготовили почву для более современных технологий и инноваций в области вычислительной техники.

Типы операционных систем

Операционные системы разделяются на различные типы в зависимости от их назначения и функциональности:

  • Однопользовательские ОС: Предназначены для одного пользователя и наиболее распространены на настольных компьютерах.
  • Многопользовательские ОС: Поддерживают одновременную работу нескольких пользователей, как на серверах и мейнфреймах.
  • ОС для настольных компьютеров, серверов, встроенных систем и мобильных устройств: ОС могут быть специализированными для конкретных типов устройств.

Заключение

Операционные системы играют важную роль в современных компьютерных системах, обеспечивая их стабильную и эффективную работу. Это всего лишь введение, и в последующих лекциях мы рассмотрим более подробно как каждая из функций ОС выполняется и как они взаимодействуют друг с другом. Операционные системы - это фундаментальная часть информационных технологий, и их понимание важно для всех, кто работает с компьютерами и вычислительными системами.

Наверх