Moduł 5

Rodzaje i funkcje systemów operacyjnych

1. Pojęcie systemu operacyjnego 2. Budowa i funkcje systemu operacyjnego 3. Rodzaje systemów operacyjnych 4. Systemy plików 5. Zasady doboru systemu operacyjnego do realizacji określonych zadań 6. Bibliografia

2

1. Pojęcie systemu operacyjnego

Poniższe informacje znajdziesz również w prezentacji multimedialnej umieszczonej na platformie.

System operacyjny jest zbiorem programów, który jest pośrednikiem między użyt-kownikiem a sprzętem komputerowym. Zadaniem systemu operacyjnego jest stworze-nie środowiska pracy, w którym użytkownik może wykonywać zadania w prosty, wy-godny i wydajny sposób. System operacyjny powinien zagwarantować bezbłędną i sta-bilną pracę systemu komputerowego. Można określić, że system operacyjny nie pełni roli typowego oprogramowania użytkowego gdyż nie tworzy żadnego nowego dzieła czy dokumentu. Jest typowym dystrybutorem zasobów, bez którego praca systemu kompu-terowego nie byłaby możliwa.

Historia rozwoju systemów operacyjnych jest ściśle związana z rozwojem archi-tektury komputerów. Analizując ją można wyodrębnić następujące typy w rozwoju sys-temów operacyjnych:

- Proste systemy wsadowe. Ich obowiązkiem było automatyczne przekazywanie sterowania od jednego zadania do następnego.

- Wieloprogramowe systemy wsadowe. Zwiększały one wykorzystanie proceso-ra wskutek takiej organizacji zadań, aby procesor miał zawsze któreś z nich do wykonania.

- Systemy z podziałem czasu. Procesor w tych systemach wykonuje na przemian wiele różnych zadań, przy czym przełączenia następują tak często, że użytkowni-cy mogą współdziałać z każdym programem podczas jego wykonania.

- Systemy operacyjne dla PC. W tych systemach kładzie się nacisk na interfejs użytkownika kosztem maksymalizacji wydajności procesora.

- Systemy równoległe. W systemach tego rodzaju wiele procesorów ściśle współ-pracuje ze sobą podczas wykonywania zadań.

- Systemy rozproszone. Rozdzielają one obliczenia między wieloma procesorami nie dzieląc jednocześnie pamięci ani zegara (oddzielny sprzęt komputerowy). Procesory komunikują się ze sobą za pomocą sieci komputerowych.

- Systemy czasu rzeczywistego. Są one stosowane tam, gdzie istnieją surowe wymagania dotyczące czasu wykonania operacji lub przepływu danych. Systemy te stosowane są przy nadzorowaniu badań naukowych.

Na rysunku 5.1 przedstawiono przykład współzależności między poszczególnymi elementami systemu komputerowego oraz rolę systemu operacyjnego.

3

Rys. 5.1. Schemat warstw logicznych obrazujący relacje pomiędzy elementami systemu komputerowego

Źródło: własne

Najprostszym podziałem systemów operacyjnych jest podział ze względu na ro-dzaj interfejsu użytkownika. Wyróżniamy systemy z interfejsem:

- znakowym/tekstowym - komunikacja użytkownika z systemem następuje po-przez wprowadzanie tekstowych komend z wiersza poleceń, np. MS-DOS, Linux Bash, Windows Server Core.

- Graficznym - umożliwia użytkowanie systemu z wykorzystaniem interfejsu gra-ficznego opartego na symbolach (ikonach) oraz tzw. okienkach, określanego skrótem GUI (ang. Graphical User Interface), np. Windows, X Window.

Do podstawowych cech charakterystycznych dla systemu operacyjnego należy zaliczyć:

- Wielodostępność, gdzie dwóch lub więcej użytkowników może jednocześnie pracować i współdzielić zasoby.

4

- Wielozadaniowość oznacza, że komputer może uruchomić kilka aplikacji w tym samym czasie.

- Wieloprocesowość. Komputer może mieć dwa lub więcej procesorów współ-dzielonych przez programy.

- Wielowątkowość. Program może zostać podzielony na części, które mogą być uruchamiane przez system operacyjny w miarę potrzeb.

- Wywłaszczalność. Komputer może wstrzymać aktualnie wykonywane zadanie, aby umożliwić działanie innemu.

2. Budowa i funkcje systemu operacyjnego

System operacyjny zbudowany jest z następujących elementów:

- Jądro systemu operacyjnego. - API (ang. Application Programming Interface) rozumiany jako zestaw reguł i ich

opisów do komunikacji miedzy programami, obsługi zdarzeń urządzeń peryfe-ryjnych, budowy interfejsu obsługi czy komunikacji. W systemach Windows API tworzą praktycznie zestawy bibliotek dll. W systemach znakowych ten obszar systemu nazywany jest powłoką lub kompilatorem i interpreterem poleceń.

- System plików jako metody i struktury danych używane przez system operacyj-ny w celu zapisania informacji o plikach i ich zawartości.

- Aplikacje narzędziowe do wspomagania zarzadzaniem systemem operacyjnym i sprzętem komputerowym.

- Systemowe aplikacje użytkowe oferowane wraz z systemem operacyjnym nie-jako w pakiecie.

Rys. 5.2. Struktura systemu operacyjnego

Źródło: http://iair.mchtr.pw.edu.pl

Centralnym elementem systemu operacyjnego jest jego jądro (ang. kernel). Jądro traktowane jest jako zbiór procedur, które odpowiedzialne są za podstawowe funkcje

5

systemu operacyjnego. Jadro jest interfejsem pomiędzy sprzętem, a pozostałymi ele-mentami systemu operacyjnego.

Najważniejszymi zadaniami jądra systemowego jest: zarządzanie procesami, zarzą-dzanie pamięcią operacyjną, obsługa systemu wejścia/wyjścia, zarządzanie plikami i przestrzenią dyskową, uwierzytelnianie i ochrona oraz implementacja interfejsu poleceń.

Istnieje kilka koncepcji budowy jądra systemowego. Zaliczamy do nich:

- Jądro monolityczne. Jądro stanowi duży program, którego zadaniem jest wyko-nywanie wszystkich najważniejszych funkcji i zadań systemu operacyjnego. Zale-tami jądra monolitycznego jest szybkość działania (jadro nie jest rozbite na wiele podprogramów), jeśli jest dobrze przygotowane może mieć niewielkie rozmiary, w jednym pliku łatwiej wyszukuje się ewentualne błędy. Do wad można zaliczyć: trudności w rozbudowie jednego wielkiego programu, błędy związane z jedna częścią oprogramowania mogą wpłynąć na stabilność całego jądra, źle przygoto-wane jądro może się rozrosnąć do dużych rozmiarów, moduły i jądro korzystają z jednej przestrzeni adresowej co może wpływać na stabilność systemu. Z tego typu jądra korzystają systemy operacyjne z rodziny Unix.

- Mikrojądro. Jądro jest stosunkowo małe i zawiera wyłącznie mechanizmy ni-skopoziomowe odpowiedzialne: za zarządzanie przestrzenią adresową, zarzą-dzanie wątkami czy komunikację miedzy procesami. Funkcje związana z obsługą sterowników urządzeń, protokołów sieciowych czy systemów plików przenoszo-ne są do specjalnych bloków lub przestrzeni użytkownika i uruchamiane jako moduły. Do zalet mikrojądra można zaliczyć: łatwy rozwój kodu źródłowego, im-plementacja nowych funkcjonalności nie wymaga ponownej kompilacji jądra, błąd w jednym elemencie systemu nie wpływa na jego ogólną stabilność. Do wad zaliczymy: dość trudny proces wyszukiwania błędów, większa ilość uruchamia-nych programów prowadzi do spadku wydajności i większego użycia pamięci. Systemem, który korzysta z koncepcji mikrojądra jest Minix.

- Jądro hybrydowe. Jest połączeniem koncepcji dwóch powyższych rozwiązań, łą-czy szybkość i prostotę konstrukcji jądra monolitycznego oraz modułowość i bezpieczeństwo mikrojądra. Jądro hybrydowe uruchamia pewne moduły w przestrzeni jądra w celu zmniejszenia utraty wydajności, a jednocześnie prze-nosi pewne funkcjonalności w postaci usług do przestrzeni użytkownika. Dla przykładu w wewnętrznej strukturze jądra hybrydowego implementowany może być wirtualny system plików i sterowniki magistrali natomiast zarządzanie sys-temem plików i pamięcią masową może zostać przeniesione poza jądro i uru-chamiane jako usługa. Jadra hybrydowe wykorzystują systemy z rodziny Win-dows NT.

System operacyjny tworzy środowisko, w którym wykonywane są różne progra-my. System dostarcza zatem zbiór usług zarówno programom jak i ich użytkownikom.

Do takich usług systemowych można zaliczyć:

- Wykonywanie programów. System ładuje program do pamięci operacyjnej i rozpoczyna jego wykonywanie. Powinien również umożliwić zakończenie pracy z programem w sytuacjach awaryjnych (np. błędu).

- Nadzór operacji I/O. Wykonywane programy z reguły nie mają możliwości wy-konywania operacji I/O, dlatego system musi im to umożliwić.

6

- Komunikacja z systemem plików. Funkcja kluczowa dla wielu aplikacji syste-mowych i zewnętrznych. System musi obsłużyć program pod kątem manipulo-wania w systemie plików partycji.

- Komunikacja sieciowa. W sytuacjach, w których procesy wymagają komunikacji za pomocą sieci komputerowej, system jest platformą takiej łączności.

- Usługa ochrony indywidualnych procesów oraz dostępu do zasobów. - Wykrywanie błędów. System nieustannie monitoruje działanie oprogramowa-

nia i sprzętu oraz reaguje według określonych procedur na ich występowanie.

W niektórych strukturach systemów komputerowych możemy się spotkać w wir-tualizacją systemu operacyjnego. W takiej sytuacji, między sprzętem komputerowym a systemem operacyjnym instaluje się maszyna wirtualna, która umożliwia współistnie-nie kilku jąder systemowych, wykonujących własne procesy.

3. Rodzaje systemów operacyjnych

Genezą powstania pierwszych systemów operacyjnych był problem każdorazowe-go programowania wczesnych komputerów w celu wykonania określonych procesów za pomocą pra-nośników pamięci masowej w postaci kart i taśm perforowanych. Rozwój i powszechne zastosowanie systemów operacyjnych będących częścią systemu kompu-terowego, przypada na okres upowszechnienia się komputerów osobistych, których standardem stał się IBM PC.

W chwili obecnej używanych jest wiele rodzajów systemów operacyjnych w urzą-dzeniach techniki komputerowej. Jednak trzon systemów do komputerów osobistych pozostaje od kilku lat niezmienny.

Według raportu Net Applications z lipca 2013 roku zdecydowanym liderem są sys-temy firmy Microsoft. Pełny raport przedstawia rysunek 5.3.

Rys. 5.3 Rynek systemów operacyjnych w 2013 roku

Źródło: http://www.komputerswiat.pl

Systemy operacyjne Microsoft

7

Jedną z największych rodzin systemów komercyjnych są systemy operacyjne firmy Microsoft. Jest to jedna z największych na świecie firm z branży technologii informacyj-nych. Najbardziej znane jako producent rodzin systemów operacyjnych MS-DOS, Micro-soft Windows i oprogramowania biurowego Microsoft Office.

Pierwszym systemem operacyjnym tej firmy był PC-DOS, który został przerobiony na potrzeby IBM PC z wykupionej wersji systemu innej firmy. Sukces PC-DOS zmobili-zował firmę do marketingowej ofensywy dotyczącej produktu dla komputerów osobi-stych standardu IBM PC. Tak w 1981 roku powstał MS-DOS. Ten znakowy system ope-racyjny odniósł wielki sukces na rynku, a jego interpreter poleceń działa z powodzeniem nawet w najnowszych systemach firmy Microsoft.

Rys. 5.4. Ekran systemu MS-DOS

Źródło: własne

W 1985 roku, firma Microsoft wydała pierwszy swój system z interfejsem graficz-nym o nazwie Windows 1.0. Jednak aż do 1994 roku, kiedy pojawił się system Windows 95, wszystkie poprzednie wersje były tylko nakładkami graficznymi na znakowy MS-DOS.

W 1993 roku zaznaczył się rozłam między systemami do komputerów osobistych i komputerów serwerów sieciowych, bowiem firma wydała pierwszy system z rodziny NT (Windows NT 3.01). Od tego czasu równolegle rozwijane są systemy desktopowe i serwerowe.

Najpopularniejszymi systemami firmy Microsoft są: Windows 3.1, Windows NT 4.0, Windows 95, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows Serwer.

W 2012 roku, naciskany przez rozwój systemów do urządzeń przenośnych i ekra-nów dotykowych, Microsoft przedstawił system Windows 8.

8

Rys. 5.5. Ekran systemu Windows 8

Źródło: http://windows.microsoft.com/pl

Systemy Unix/Linux

Unix to system operacyjny rozwijany od 1969 roku. W latach 70. i 80. zdobył bar-dzo dużą popularność, co zaowocowało powstaniem wielu odmian i implementacji. Do dnia dzisiejszego z powodzeniem rozwijane są odmiany Linux i MAC OS. Unix wprowa-dził ideę hierarchicznego systemu plików oraz reprezentacji niemal wszystkich składni-ków systemu jako plików.

Linux to alternatywa dla osób, których nie stać na zakup systemu komercyjnego (np. Windows). Wersje podstawowe systemu (posiadające tylko oprogramowanie nie-komercyjne) rozpowszechniane są bezpłatnie na licencji GNU.

Obecnie dostępnych jest wiele dystrybucji systemu Linux, które charakteryzują się podobnymi możliwościami ponieważ korzystają z tego samego jądra sytemu oraz tych samych niekomercyjnych aplikacji. Różnice mogą się objawiać na poziomie programu instalacyjnego, aplikacji komercyjnych, aplikacji administracyjnych.

Najczęściej spotykanymi są:

- Debian, - Ubuntu, - Fedora (Red Hat), - Mandriva, - SUSE.

Historia Linux’a sięga 1991 roku. Jego ogromną zaletą jest stabilność i bezpieczeń-stwo. Jest to jedyny niekomercyjny system, który próbuje walczyć o udział w rynku z firmą Microsoft. To co do tej pory nie udaje się w rynku komputerów osobistych, udało

9

się w segmencie urządzeń mobilnych, gdzie oparty na Linux’sie system Android wiedzie prym.

Rys. 5.6. Ekran systemu Linux Ubuntu

Źródło: www.linuxdoc.org

Pozostałe systemy operacyjne

Mac OS to rodzina uniksowych systemów operacyjnych produkowanych i rozpro-wadzanych przez Apple Inc. dostępnych, praktycznie, jedynie dla komputerów Macin-tosh, instalowany fabrycznie w nich od 2002 roku. Najnowszym systemem z tej rodziny jest OS X Mountain Lion sprzedawany z serią komputerów iMac.

Obecnie system ten jest coraz bardziej popularny, a co za tym idzie, powiększa się liczba kompatybilnego z nim oprogramowania. Nie tylko mamy dostęp do programów graficznych i filmowych, z których ten system słynie, ale także do wielu innych progra-mów i gier. Aplikacji jest już naprawdę wiele, a jeżeli nie ma tej, której szukamy, może-my posłużyć się zamiennikiem lub translatorem. Translator "tłumaczy" aplikacje win-dowsowe tak, aby działały one w systemie OS X. Apple oferuje również wersję do zasto-sowań serwerowych OS X Server.

Prowadzone są prace nad wersją dla PC mobilnego systemu operacyjnego Google Android-x86, jednak do dnia dzisiejszego projekt ten jest w fazie testów.

Poza tym, możemy spotkać się z systemami operacyjnymi takimi jak:

10

- Novell NetWare. Stabilny system sieciowy. Obecnie sporadycznie używany. - BeOS - system operacyjny opracowany przez firmę Be Inc. Zaprojektowany do

zastosowań multimedialnych. - Solaris, Oracle Solaris – system operacyjny z rodziny Unix firmy Oracle.

Jednak ich udział w rynku systemów operacyjnych jest znikomy.

Rys. 5.7 Ekran systemu MAC OS X

Źródło: http://store.apple.com/pl

4. Systemy plików

Każdy system operacyjny posiada swój indywidualny. systemu plików, który za-rządza sposobem zabezpieczania, edycji i przechowywania danych w przestrzeni pamię-ci masowej np. partycji dysku twardego.

Plik jest pewnym ciągiem danych charakteryzujący się skończoną długością oraz pewnymi atrybutami. Jest interpretowany przez system operacyjny jako całość.

Większość współczesnych systemów operacyjnych posiada własne systemy pli-ków, które rozwijają się wraz z rozwojem OS (tabela 5.1). System plików udostępnia użytkownikowi logiczną strukturę (interfejs) w postaci drzewa katalogowego, a sam obsługuje skomplikowane procesy zapisu i odczytu danych. Ponadto system plików za-rządza dodatkowymi atrybutami plików (w postaci meta-danych) i udostępnia je pro-gramom implementując mechanizmy kontroli dostępu do plików.

11

Tab. 5.1 Rodzaje systemów plików

System pli-ków

Symbol Opis

File Alloca-tion Table 32

FAT32 Wprowadzony przez Microsoft wraz z systemem Windows 95 OSR 2. Wykorzystuje 32 bitową tablicę FAT co umożliwia zapis pliku z maksymalną wielkością 4 GiB. Do zaadresowania jed-nostki alokacji stosuje się 28 bitów co maksymalnie daje 228 jed-nostek alokacji. Najmniejsza jednostka alokacji może zawierać 4 kiB, a największa 32 kiB. Ograniczenie rozmiaru woluminu to 232 sektorów co daje 2 TiB na jednym dysku lub macierzy dys-kowej. System nie obsługuje meta danych, co oznacza że nie im-plementuje np. zabezpieczenia plików przed nieautoryzowanym dostępem.

W przypadku systemu Windows XP i nowszych maksymalna ilość miejsca na dysku z systemem FAT może wynosić do 8 TiB, a wielkość pojedynczego woluminu może wynieść do 32 GiB.

New Tech-nology File System

NTFS Wprowadzony został wraz z systemem Windows NT 3.1. Do ad-resowania wykorzystuje 64-bity co teoretycznie daje na jeden plik 264 bajtów czyli 16 EiB praktycznie jest to 16 TiB. Maksy-malny teoretyczny rozmiar partycji to 264 jednak w rzeczywisto-ści jest to 256 TiB. W przeciwieństwie do FAT obsługuje meta dane i w najnowszej odsłonie NTFS 3.1 umożliwia: kompresję, szyfrowanie, nadawanie praw dostępu, transakcyjność oraz księgowanie operacji dyskowych (zalecany dla systemów z ro-dziny Windows NT).

Extended File System wersja 4

EXT4 Czwarta wersja popularnego systemu plików przeznaczonego dla systemów operacyjnych z rodziny Linux. Ext4 używa adre-sowania 48-bitowego, umożliwia więc stosowanie woluminów o wielkości do1 EiB i maksymalny rozmiar pliku do 16 TiB. Umożliwia przechowywanie do 32 000 podkatalogów, księgo-wanie operacji, obsługa meta danych, nadawanie praw dostępu, rezerwacja miejsca bez fragmentacji dla nowych plików.

Joliet ISO9660 Wprowadzony przez Microsoft jest rozszerzeniem systemu pli-ków ISO 9660 i umożliwia zapis danych na nośnikach optycz-nych CD-R z nazwami o długości do 64 znaków — z wykorzysta-niem znaków międzynarodowych, a także nazwy zapisane w standardzie UTF. Nie pozwala zapisywać plików większych niż 2 GiB.

Universal Disk Format

UDF System plików przeznaczony dla nośników optycznych BD, DVD, CD z możliwością zapisu oraz DVD-Video. Obsługiwany w pełni jest przez Windows Vista, 7 oraz Linux z jądrem 2.6 bez potrze-by używania dodatkowego oprogramowania.

Źródło: Kowalski T. Kwalifikacja E.12 Montaż i eksploatacja komputerów osobistych oraz urządzeń peryfe-ryjnych. Gliwice, Helion 2012

12

5. Zasady doboru systemu operacyjnego do realizacji określonych zadań

O popularności i użyteczności systemu operacyjnego decyduje kilka czynników. Wśród nich należy wymienić następujące:

- bezproblemowa współpraca z platformą sprzętową (32 lub 64 bity), - dostępność sterowników do urządzeń peryferyjnych, - dostępność i różnorodność oprogramowania użytkowego pod dany system ope-

racyjny, - oferowane funkcje i usługi, - cena i warunki licencji lub subskrypcji, - wsparcie w postaci poprawek i aktualizacji, - stabilność działania i odporność na ataki, - popularność i powszechność użytkowania na danym obszarze, - kompatybilność systemu plików, - łatwość obsługi i konfiguracji.

Podczas wyboru systemu operacyjnego należy przede wszystkim przeanalizować jego przyszłe funkcje. Kluczowe będzie określenie czy dany system ma pracować w stacji roboczej, lub jednostkowym komputerze domowym, czy też jego rolą będzie zarządza-nie siecią komputerową lub zasobami internetowymi jako serwer.

Dodatkowym czynnikiem będzie wielkość budżetu przeznaczonego na zakup i kon-figurację systemu operacyjnego. Jeżeli jest on niewielki to należy się skłaniać do wyboru dystrybucji systemu Linux lub planować zakup zestawu komputerowego z zainstalowa-ną wersja OEM popularnej wersji systemu Windows.

Po wyborze rodzaju systemu operacyjnego należy podjąć decyzję dotyczącą wybo-ru wersji lub dystrybucji, najlepszej do danych zastosowań. Na przykład Windows 7 jest dostępy na platformy sprzętowe 32 i 64-bitowe. Producent dodatkowo oferuje następu-jące jego wersje:

- Starter to wersja mocno okrojona. Ma zablokowaną funkcję zmiany obrazu pul-pitu, brak możliwości przełączania użytkowników itp. Obsługuje maksymalnie tylko jeden mikroprocesor 32-bitowy, w sieci umożliwia jedynie dołączenie do grupy roboczej.

- Home Basic to wersja zubożona przeznaczona na rynki rozwijające się, obsługu-je maksymalnie do 8GB pamięci operacyjnej, jeden mikroprocesor, brak Win-dows Media Center, ograniczona wersja Windows Aero, w sieci umożliwia jedy-nie dołączenie do grupy roboczej.

- Home Premium to wersja przeznaczona dla użytkowników domowych uniemoż-liwiająca pracę w sieciach domenowych, a jedynie w grupach roboczych. Obsłu-guje do 16 GB pamięci RAM. Posiadająca Windows Aero, Windows Media Center, Windows Media Player, obsługę wielu monitorów, usługę szybkiego wyszukiwa-nia Windows Search.

- Professional to wersja dla biznesu posiadająco to samo co wersja Home Pre-mium i dodatkowo obsługuje 192 GB RAM oraz do 2 mikroprocesorów, możli-wość pracy w sieciach domenowych, posiada oprogramowanie do tworzenia ko-pii zapasowych, oraz tryb Windows XP Mode pozwalający na uruchamianie apli-kacji biznesowych znanych z systemu Windows XP.

13

- Ultimate — wersja Professional rozszerzona o funkcję szyfrowania danych dys-kowych BitLocker oraz możliwość zmiany języków z 35 dostępnych, możliwość korzystania z dysków wirtualnych VHD.

- Enterprise — wersja, która jest odpowiednikiem Ultimate jednak nie jest do-stępna na rynku detalicznym, a jedynie na licencji Volume License Key.

Czasami o wyborze systemu decyduje wybór samego komputera. Najlepszym tego przykładem są wyroby firmy Apple. Przy zakupie komputera osobistego tej firmy otrzymujemy kompatybilny z nim system (np. OS X Mountain Lion) z wachlarzem opro-gramowania użytkowego i dostępem do iCloud.

14

Bibliografia

1. Kowalski T., Kwalifikacja E.12. Montaż i eksploatacja komputerów osobistych oraz urządzeń peryferyjnych, Gliwice, Helion 2012

2. Marciniuk T., Pytel K., Osetek S., Przygotowanie stanowiska komputerowego do pracy. Część 1 i 2, Warszawa, WSiP 2013

3. Silberschatz A., Galvin P.B., Podstawy Systemów Operacyjnych, Warszawa, WNT 2000

Netografia

1. http://www.komputerswiat.pl - Magazyn Komputer Świat 2. http://iair.mchtr.pw.edu.pl - Instytut Automatyki i Robotyki Politechniki War-

szawskiej