Основы информатики и информационных технологий: учебник для 5—11 классов. Учебник для школы

Параграф 2.2 «Операционные системы»

Операционные системы являются ключевым компонентом любой компьютерной системы, без которого невозможно представить полноценное функционирование современного вычислительного устройства. В этом разделе мы рассмотрим основные аспекты операционных систем, их функции, типы и архитектуру, следуя требованиям Министерства просвещения Российской Федерации и образовательным стандартам.

1. Определение операционной системы

Операционная система (ОС) – это комплекс программ, который управляет всеми основными компонентами компьютера, обеспечивая взаимодействие между пользователем, приложениями и аппаратурой. Операционная система служит посредником между человеком и компьютером, предоставляя удобные интерфейсы для выполнения задач и эффективного использования ресурсов машины.

Основные задачи операционной системы включают:

– Управление процессорами;

– Распределение памяти;

– Обеспечение доступа к устройствам ввода/вывода;

– Запуск и завершение программ;

– Управление файловой системой;

– Поддержка многозадачности;

– Защита данных и контроль доступа.

Без операционной системы компьютер был бы сложным устройством, требующим глубокого понимания его работы со стороны пользователя. Именно благодаря ОС пользователи могут работать с компьютерами через простые графические интерфейсы, не погружаясь в низкоуровневые команды и машинные коды.

2. Функции операционной системы

Операционная система выполняет множество важных функций, которые обеспечивают эффективное использование ресурсов компьютера и создают комфортную среду для пользователей и разработчиков программного обеспечения.

Основные функции ОС:

– Управление процессором: Операционная система распределяет процессорное время между различными задачами и процессами, чтобы обеспечить их выполнение максимально эффективно. Это особенно важно при работе с несколькими приложениями одновременно (многозадачность).

– Управление памятью: ОС контролирует распределение оперативной памяти между запущенными программами, предотвращая конфликты и утечки памяти. Она также может использовать виртуальную память, если физической недостаточно.

– Управление файлами: Файловая система организует хранение данных на дисках, позволяя пользователям создавать, удалять, изменять файлы и каталоги. ОС обеспечивает доступ к этим данным программам и пользователям.

– Управление устройствами ввода-вывода: Операционная система взаимодействует с периферийными устройствами, такими как клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры и другие, предоставляя универсальные механизмы для работы с ними.

– Обеспечение безопасности данных: ОС предоставляет средства защиты информации, ограничивая доступ к данным и ресурсам компьютера только авторизованным пользователям. Также она защищает систему от вредоносного ПО и несанкционированного доступа.

– Многозадачность: Современные операционные системы позволяют запускать несколько программ одновременно, эффективно распределяя ресурсы между ними. Это позволяет пользователю выполнять несколько задач параллельно.

– Интерфейс пользователя: Операционная система предоставляет удобный интерфейс для взаимодействия человека с машиной. Графический интерфейс (GUI) делает работу с компьютером интуитивно понятной даже для неподготовленных пользователей.

Эти функции делают операционную систему незаменимым инструментом для работы с современными компьютерами.

3. Типы операционных систем

Существует множество классификаций операционных систем по различным критериям. Рассмотрим наиболее распространенные типы ОС:

– Однопользовательские и многопользовательские ОС:

– Однопользовательская ОС предназначена для одного пользователя, работающего за одним компьютером. Примером такой системы является Microsoft Windows для домашних компьютеров.

– Многопользовательская ОС, например, Unix-подобные системы, такие как Linux, позволяют нескольким пользователям одновременно работать с одной системой, каждый из которых имеет свой аккаунт и права доступа.

– Одно- и многопроцессорные ОС:

– Однопроцессорная ОС работает на компьютере с одним центральным процессором (ЦП). Пример – ранние версии DOS.

– Многопроцессорная ОС поддерживает работу на машинах с несколькими ЦП, что позволяет эффективнее использовать вычислительные мощности. Примеры – современные версии Windows и Linux.

– Распределённые и сетевые ОС:

– Распределённая ОС координирует работу нескольких независимых компьютеров, объединенных в сеть, создавая иллюзию единой большой системы. Например, кластерные системы на базе Linux.

– Сетевая ОС управляет работой сети компьютеров, обеспечивая совместное использование файлов, принтеров и других ресурсов. Примером может служить серверная версия Windows Server.

– Реального времени (RTOS):

– Операционные системы реального времени предназначены для критически важных приложений, где задержка обработки сигнала недопустима. Они используются в системах управления промышленными процессами, медицинскими приборами и др.

Каждая из этих категорий ОС ориентирована на решение конкретных задач и обладает своими особенностями, которые определяют её применение в той или иной области.

4. Архитектура операционной системы

Современные операционные системы имеют сложную многоуровневую структуру, которая включает различные компоненты, отвечающие за разные аспекты функционирования системы.

– Ядро:

– Ядро является центральной частью операционной системы, оно отвечает за управление основными ресурсами компьютера, такими как процессор, память и устройства ввода-вывода. Существует два основных типа ядер:

– Монолитное ядро: все модули ядра работают в одном адресном пространстве, что повышает производительность, но снижает гибкость.

– Микроядерная архитектура: большинство сервисов вынесены за пределы ядра, что улучшает модульность и безопасность, но может снижать скорость работы.

– Драйверы устройств:

– Драйверы обеспечивают взаимодействие операционной системы с конкретными аппаратными устройствами. Каждый драйвер разрабатывается под определённое устройство и позволяет ОС управлять им корректно.

– Файловые системы:

– Файловая система определяет способ организации хранения данных на диске. Различные ОС поддерживают разные файловые системы, например, NTFS в Windows, ext4 в Linux, HFS+ в macOS.

– Пользовательское окружение:

– Пользовательский интерфейс (UI) предоставляет человеку возможность взаимодействовать с операционной системой. Он может быть текстовым (командная строка) или графическим (GUI), как в большинстве современных ОС.

Таким образом, архитектура современной операционной системы представляет собой сложный набор компонентов, работающих совместно для обеспечения высокой производительности, надёжности и удобства использования.

Этот параграф охватывает ключевые аспекты операционных систем, соответствующие требованиям образовательных стандартов и Министерству просвещения РФ.

5. Файловые системы

Файловая система играет ключевую роль в управлении данными на компьютере. Она определяет, каким образом данные хранятся, организуются и извлекаются на носителях информации, таких как жесткие диски, SSD-накопители или флеш-память. Существуют различные типы файловых систем, каждая из которых имеет свои особенности, достоинства и ограничения.

Структура файловой системы

Файловая система состоит из следующих элементов:

– Каталоги (директории): иерархическая структура, позволяющая организовать файлы в логичные группы.

– Файлы: единицы хранения данных, имеющие имя и атрибуты (размер, дата создания, права доступа и т.д.).

– Метаданные: информация о файлах и директориях, такая как местоположение файла на диске, размер блока данных и т. п.

Работа файловой системы заключается в том, чтобы предоставить удобное и надежное средство для хранения и поиска данных, а также для контроля прав доступа к ним.

Типы файловых систем

Рассмотрим некоторые популярные файловые системы:

– FAT32 (File Allocation Table)

– Эта файловая система была разработана компанией Microsoft и широко использовалась в ранних версиях Windows. FAT32 поддерживает файлы размером до 4 ГБ и разделы диска объемом до 2 ТБ. Однако она менее эффективна по сравнению с более новыми системами и подвержена фрагментации.

– NTFS (New Technology File System)

– NTFS является основной файловой системой для современных версий Windows. Она поддерживает большие объемы данных, улучшенную защиту данных, журналирование изменений и расширенные возможности по управлению правами доступа. NTFS также поддерживает сжатие данных и шифрование.

– ext4 (Fourth Extended Filesystem)

– Это одна из самых распространенных файловых систем в мире Linux. Ext4 предлагает высокую производительность, поддержку больших объемов данных (до 16 ТБ) и файлов большого размера (до 16 ГБ). Она также поддерживает журналирование, что помогает предотвратить потерю данных при сбоях системы.

Совместимость между различными ОС

Проблема совместимости возникает, когда необходимо обмениваться данными между разными операционными системами. Например, если вы хотите перенести данные с компьютера под управлением Windows на компьютер с Linux, вам нужно убедиться, что обе системы понимают используемую файловую систему.

Некоторые файловые системы, такие как FAT32, поддерживаются большинством ОС, что делает их удобным выбором для обмена данными. Однако они могут иметь ограничения по размеру файлов и другим параметрам. Более новые файловые системы, такие как NTFS и ext4, обладают большими возможностями, но требуют специальных драйверов или утилит для чтения и записи данных в другой системе.

6. Интерфейсы пользователя

Интерфейс пользователя (User Interface, UI) – это средство взаимодействия между человеком и операционной системой. Существует два основных вида интерфейсов: графический интерфейс пользователя (GUI) и командный интерфейс (CLI).

Графический интерфейс пользователя (GUI)

Графический интерфейс предоставляет визуальное представление элементов системы, таких как окна, иконки, меню и кнопки. GUI облегчает навигацию и выполнение задач, делая их интуитивно понятными для большинства пользователей.

Примеры GUI:

– Windows: использует графическую оболочку с рабочими столами, окнами и значками.

– macOS: основан на графическом интерфейсе Aqua, который отличается плавностью анимации и минимализмом.

– Linux: существует множество графических сред, таких как GNOME, KDE Plasma и Xfce.

Преимущества GUI:

– Удобство для начинающих пользователей;

– Интуитивно понятный интерфейс;

– Возможность одновременного выполнения нескольких задач в разных окнах.

Недостатки GUI:

– Может требовать больше ресурсов (памяти, процессора);

– Ограниченная гибкость по сравнению с CLI.

Командный интерфейс (CLI)

Командный интерфейс представляет собой текстовую консоль, в которой пользователь вводит команды для выполнения действий. CLI требует знания синтаксиса команд и параметров, но предоставляет большую гибкость и мощность.

Примеры CLI:

– Командная строка (Command Prompt) в Windows;

– Терминал в Linux и macOS.

Преимущества CLI:

– Высокая степень контроля над системой;

– Быстрота выполнения сложных операций;

– Меньшие требования к ресурсам.

Недостатки CLI:

– Требуется знание команд и синтаксиса;

– Не так удобен для новичков.

Оба типа интерфейсов имеют свои сильные и слабые стороны, поэтому выбор зависит от потребностей конкретного пользователя и задач, которые он решает.

7. Многозадачность и управление процессами

Многозадачность – это способность операционной системы одновременно выполнять несколько программ или задач. Для этого используется планирование процессов, которое распределяет процессорное время между активными задачами.

Концепция многозадачности

Существуют две основные формы многозадачности:

– Кооперативная многозадачность: программы сами решают, когда передать управление процессору другому процессу. Этот метод менее эффективен и может привести к зависанию системы, если программа не освобождает процессор вовремя.

– Вытесняющая многозадачность: операционная система сама решает, какой процесс будет выполняться следующим, прерывая текущие процессы и переключаясь на другие. Это более надежный подход, обеспечивающий равномерное распределение ресурсов.

Методы планирования процессов

Для распределения процессорного времени между процессами используются различные алгоритмы планирования:

– FCFS (First Come First Served): процессы выполняются в порядке поступления.

– SJF (Shortest Job First): сначала выполняются самые короткие задачи.

– Round Robin: каждому процессу выделяется фиксированный квант времени, после чего он передается следующему процессу.

– Приоритеты задач: процессы с высоким приоритетом получают больше процессорного времени.

Синхронизация потоков выполнения

Синхронизация необходима для предотвращения конфликтов при доступе к общим ресурсам. Механизмы синхронизации включают:

– Мьютексы: блокируют доступ к ресурсу для всех, кроме одного процесса.

– Семафоры: разрешают доступ к ресурсу заданному количеству процессов.

– Барьеры: ждут завершения всех потоков перед продолжением выполнения.

Эффективное управление процессами и синхронизацией потоков позволяет операционной системе работать стабильно и быстро, даже при выполнении множества задач одновременно.

8. Управление памятью

Управление памятью – это ключевой аспект работы операционной системы, поскольку оперативная память (RAM) является основным хранилищем активных данных и выполняемых программ.

Механизмы управления оперативной памятью

– Виртуальная память

– Виртуальная память позволяет расширить объем доступной памяти за счет использования жесткого диска (свопинга). Когда физическая память заполнена, часть данных переносится на диск, освобождая место для новых процессов.

– Свопинг

– Свопинг – это процесс перемещения страниц памяти между оперативной памятью и диском. При необходимости данные возвращаются обратно в RAM.

– Сегментация

– Сегментация делит память на сегменты разного размера, что позволяет более эффективно использовать пространство.

– Страничная организация памяти

– Память делится на страницы одинакового размера, что упрощает управление и уменьшает фрагментацию.

Проблемы фрагментации памяти

Фрагментация происходит, когда свободные участки памяти становятся слишком маленькими для размещения новых данных. Это приводит к снижению производительности системы. Для решения этой проблемы применяются методы дефрагментации и уплотнения памяти.

Способы борьбы с фрагментацией

– Уплотнение памяти: перемещение данных таким образом, чтобы освободить непрерывные блоки памяти.

– Дефрагментация: автоматическое объединение свободных блоков памяти в один непрерывный участок.

Управление памятью играет важную роль в обеспечении стабильной и быстрой работы операционной системы, позволяя эффективно использовать доступные ресурсы и минимизировать влияние фрагментации.

9. Безопасность и защита данных

Безопасность данных является одной из важнейших задач любой операционной системы. Операционные системы предоставляют разнообразные инструменты и механизмы для защиты информации от несанкционированного доступа, изменения или удаления. Рассмотрим основные аспекты безопасности в контексте операционных систем.

Методы аутентификации

Аутентификация – это процесс проверки подлинности пользователя, пытающегося получить доступ к системе. Основные методы аутентификации включают:

– Пароли: Самый распространенный метод, при котором пользователь вводит секретный код для подтверждения своей личности.

– Биометрическая аутентификация: Использование уникальных физических характеристик пользователя, таких как отпечатки пальцев, радужная оболочка глаза или голос.

– Смарт-карты и токены: Физические устройства, содержащие уникальные идентификаторы, которые подтверждают личность пользователя.

Авторизация

Авторизация – это процесс предоставления разрешений на доступ к определенным ресурсам системы. В операционных системах обычно реализованы следующие уровни доступа:

– Администратор: Полный доступ ко всем функциям и ресурсам системы.

– Обычный пользователь: Ограниченный доступ, позволяющий выполнять стандартные задачи, но без возможности вносить изменения в системные настройки.

– Гость: Минимальный уровень доступа, часто предназначенный для временного использования.

Шифрование данных

Шифрование – это процесс преобразования данных в зашифрованную форму, чтобы сделать их недоступными для посторонних лиц. Операционные системы предлагают встроенные механизмы шифрования, такие как:

– BitLocker в Windows: Система полного шифрования дисков, защищающая данные на уровне всего устройства.

– FileVault в macOS: Аналог BitLocker для Mac, обеспечивающий шифрование всей файловой системы.

– LUKS в Linux: Расширенное шифрование дисков, поддерживаемое многими дистрибутивами Linux.

Контроль доступа

Контроль доступа – это механизм, определяющий, какие пользователи и приложения могут получать доступ к определенным ресурсам системы. Основные модели контроля доступа включают:

– Mandatory Access Control (MAC): Политика доступа определяется централизованно администратором системы.

– Discretionary Access Control (DAC): Владельцы ресурсов самостоятельно определяют, кто может получить к ним доступ.

– Role-Based Access Control (RBAC): Доступ предоставляется на основе ролей, назначаемых пользователям.

Защита от вредоносного ПО

Защита от вирусов, троянов и другого вредоносного ПО является важной задачей любой операционной системы. Для этого используются антивирусные программы, брандмауэры и регулярные обновления системы. Многие современные операционные системы содержат встроенные защитные механизмы, такие как:

– Windows Defender: Антивирус и брандмауэр, интегрированные в Windows.

– AppArmor и SELinux в Linux: Средства контроля доступа и изоляции приложений.

– Gatekeeper в macOS: Система проверки цифровых подписей приложений перед запуском.

10. Установка и настройка операционной системы

Процесс установки и настройки операционной системы включает несколько этапов, начиная с выбора подходящего дистрибутива и заканчивая оптимизацией системы для максимальной производительности.

Выбор дистрибутива

Перед установкой операционной системы необходимо выбрать подходящий дистрибутив, соответствующий вашим потребностям. Например:

– Windows: Подходит для широкого круга пользователей, поддерживает большое количество программного обеспечения.

– Linux: Предлагает множество дистрибутивов, таких как Ubuntu, Fedora, Debian, каждый из которых имеет свои особенности и целевую аудиторию.

– macOS: Эксклюзивно для компьютеров Apple, характеризуется высокой интеграцией оборудования и программного обеспечения.

Процесс установки

Процесс установки операционной системы обычно включает следующие шаги:

– Создание загрузочного носителя: Запись образа операционной системы на USB-флешку или DVD-диск.

– Загрузка с установочного носителя: Перезагрузка компьютера и выбор загрузки с внешнего устройства.

– Выбор параметров установки: Настройка языка, региона, часового пояса, создание учетной записи пользователя.

– Разметка диска: Создание и форматирование разделов на жестком диске.

– Копирование файлов: Копирование системных файлов на выбранный раздел.

– Завершение установки: Завершающая конфигурация системы и первый вход в установленную ОС.

Установка драйверов и программного обеспечения

После успешной установки операционной системы необходимо установить драйвера для всех подключенных устройств, чтобы обеспечить их правильную работу. Кроме того, следует установить необходимое программное обеспечение, такое как офисные пакеты, браузеры, мультимедийные проигрыватели и т. д.

Оптимизация настроек

Оптимизация настроек операционной системы может значительно повысить ее производительность и стабильность. Некоторые меры оптимизации включают:

– Настройка энергопотребления: Выбор режима энергосбережения или производительности.

– Отключение ненужных служб: Отключение фоновых процессов, которые не требуются для работы системы.

– Обновление драйверов и программного обеспечения: Регулярное обновление системы и установленных приложений.

– Дефрагментация диска: Упорядочивание данных на жестком диске для улучшения скорости доступа.

11. Примеры и сравнение операционных систем

Рассмотрим сравнительный анализ наиболее распространенных операционных систем, таких как Windows, Linux, macOS, Android и iOS.

Windows

Особенности:

– Широкая поддержка программного обеспечения.

– Простой и интуитивно понятный интерфейс.

– Высокий уровень интеграции с оборудованием.

Применение:

– Домашние и офисные компьютеры.

– Игровые платформы.

– Серверные решения.

Сильные стороны:

– Огромное количество доступных приложений.

– Легкая установка и настройка.

Слабые стороны:

– Высокая стоимость лицензий.

– Подверженность вирусам и уязвимостям.

Linux

Особенности:

– Открытый исходный код.

– Гибкость и настраиваемость.

– Высокая надежность и безопасность.

Применение:

– Серверы и облачные вычисления.

– Научные исследования и разработки.

– Рабочие станции программистов.

Сильные стороны:

– Бесплатность и открытость.

– Низкие требования к ресурсам.

– Высокая безопасность.

Слабые стороны:

– Сложность для начинающих пользователей.

– Ограниченная поддержка некоторых проприетарных приложений.

macOS

Особенности:

– Интеграция с экосистемой Apple.

– Элегантный дизайн и высокая производительность.

– Надежность и безопасность.