Функции операционных систем персональных компьютеров (АНАЛИЗ РЫНКА)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Операционная система (ОС) — это системное программное обеспечение, управляющее аппаратными, программными ресурсами и предоставляющее службы для программ. Программы, за исключением прошивки, требуют работы операционной системы.

В 1940-е годы самые ранние электронные цифровые системы не имели операционных систем. Электронные системы этого времени были запрограммированы на ряды механических переключателей или с помощью перемычек на платах. Это системы специального назначения, которые, например, генерировали баллистические таблицы для военных или контролировали печать чеков начисления заработной платы из данных на перфокартах. После того, как были изобретены программируемые компьютеры общего назначения, были введены машинные языки (состоящие из строк двоичных цифр 0 и 1 на бумажной перфоленте), которые ускорили процесс программирования.

В начале 1950-х годов компьютер мог выполнять только одну программу за раз. Каждый пользователь пользовался исключительно компьютером в течение ограниченного периода времени и получал запланированное время с программой и данными на перфокартах или перфоленте. Программа будет загружена в машину, и машина будет работать, пока программа не завершится. Обычно программы можно отлаживать с помощью передней панели с использованием тумблеров и панельных ламп.

Позже машины поставлялись с библиотеками программ, которые были бы связаны с пользовательской программой для оказания помощи в таких операциях, как ввод и вывод, а также генерация компьютерного кода из удобочитаемого символьного кода. Это был генезис современной операционной системы. Тем не менее, машины по-прежнему выполняли одно задание за раз. В Кембриджском университете в Англии очередность работы была когда-то стиральной линией (линия одежды), из которой ленты были подвешены с разными цветными штифтами для обозначения приоритетов работы.

Улучшением стал Супервайзер Atlas, введенный с Манчестерским Атласом, введенным в эксплуатацию в 1962 году, «который многими считался первой узнаваемой современной операционной системой»

Операционные системы с разделением времени планируют задачи для эффективного использования системы, а также включают в себя программное обеспечение учета для распределения затрат времени процессора, массового хранения, печати и других ресурсов.

АНАЛИЗ РЫНКА

Доминирующей настольной операционной системой является Windows от компании Microsoft с долей на рынке приблизительно 83,3%. MacOS от компании Apple занимает второе место 11,2%, а разновидности Linux третье с долей около 1,55%.

Сектор смартфонов и планшетов по данным третьего квартала 2017 года Android от компании Google доминирует с 87,5%, следом iOS Apple с 12,1%, тогда как другие операционные системы составляют всего 0,3 процента.

Распределения Linux являются доминирующими в серверных и суперкомпьютерных секторах. Иные специализированные классы операционных систем, такие как встроенные системы и системы реального времени, существуют для многих приложений.

Рассмотрим статистику использования. Внимание, в статистике совокупные данные всех платформ:

• настольные системы;
• смартфоны;
• планшеты;
• консоли.

На Украине лидирует операционная система Microsoft Windows — 73.33% всех устройств, от настольных до карманных. Мобильные технологии берут свое, Android — на Украине занимает 13,19%. Операционная система производства компании Apple OS X занимает — 5.38%. Это показано на рисунке 1.1. На рынке Беларуси первый по показателю Windows — 71,27%, второй Android — 17,74% аналогичная ситуация с OSX — 4,2% и iOS — 3,55%. Отображено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 – Рынок операционных систем на Украине

Рисунок 1.2 – Рынок операционных систем в Беларуси

Иначе обстоят дела в Казахстане. Windows занимает 63,85%, Android 23,08%, iOS 7,83%. Рынок Казахстана на рисунке 1.3. На нашем рынке бесспорное первое место Microsoft Windows с долей 68,58%. Второе и третье место разновидности Android с долей 15,88% и iOS с 7,11%. Российский рынок на рисунке 1.4. Учитывая всю статистику и нюансы развития настольных и мобильных платформ, в мире лидирует ОС Android с долей 41.24% всех устройств.  Второй и третий соответственно Microsoft Windows с 35,24% и iOS — 13,2%. Статистика на рисунке 1.5.

Рисунок 1.3 – Рынок операционных систем в Казахстане

Рисунок 1.4 – Рынок операционных систем в России

 Рисунок 1.5 – Рынок операционных систем в Мире

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Microsoft Windows — разновидность комплекса операционных систем, разработанных корпорацией Microsoft и предназначенных в первую очередь для компьютеров на базе архитектур Intel и AMD.

Microsoft Windows впервые была выпущена в 1985 году как среда, работающая на базе MS-DOS, на тот момент стандартной операционной системой, поставляемой на большинстве персональных компьютеров Intel в то время. В 1995 году была выпущена Windows 95, которая использовала только MS-DOS в качестве начальной загрузки. Обратная совместимость Win9x может запускать в реальном времени MS-DOS и 16-битные драйверы Windows 3.x. Windows ME, выпущенная в 2000 году, была последней версией семейства Win9x. Более поздние версии были основаны на ядре Windows NT. Текущие клиентские версии Windows работают на IA-32, x86-64 и 32-разрядных ARM-микропроцессорах. Кроме того, Itanium по-прежнему поддерживается в старой версии сервера Windows Server 2008 R2. В прошлом Windows NT поддерживала дополнительные архитектуры.

Широко используются серверные выпуски Windows. В последние годы Microsoft затратила значительный капитал, чтобы продвигать использование Windows в качестве серверной операционной системы. Однако использование Windows на серверах не так широко распространено, как на персональных компьютерах, поскольку Windows конкурирует с Linux и BSD за долю на рынке серверов.

MacOS (ранее «Mac OS X» и более поздняя «OS X») представляет собой линейку графических операционных систем открытого ядра, разработанных, продаваемых и проданных Apple Inc., последняя из которых предварительно загружена на все компьютеры Macintosh, которые в настоящее время поставляются. MacOS является основной операционной системой Apple с 1984 года. Это операционная система UNIX, построенная на технологии, разработанной в NeXT во второй половине 1980-х годов и вплоть до Apple, которая купила компанию в начале 1997 года. Операционная система была впервые выпущена в 1999 году как Mac OS X Server 1.0, а в марте 2001 года — клиентской версией (Mac OS X v10.0 «Cheetah»). С тех пор было выпущено еще шесть различных «клиентских» и «серверных» выпусков MacOS, пока они не были объединены в OS X 10.7 «Lion».

До его слияния с MacOS серверная версия — сервер MacOS — была архитектурно идентична его настольной копии и обычно работала на линейке аппаратного обеспечения Macintosh от Apple. Сервер MacOS включал инструменты управления и администрирования рабочих групп, которые обеспечивают упрощенный доступ к ключевым сетевым службам, включая агента передачи почты, сервера Samba, сервера LDAP, сервера имен доменов и других. С Mac OS X v10.7 Lion все серверные аспекты Mac OS X Server были интегрированы в клиентскую версию, а продукт переименован в «OS X» (отбрасывание «Mac» от имени). Серверные инструменты теперь предлагаются как приложение.

Ubuntu, настольный дистрибутив Linux. Ядро Linux появилось в 1991 году в качестве проекта Линуса Торвальдса, в то время студента университета в Финляндии. Он опубликовал информацию о своем проекте в группе новостей для компьютерных студентов и программистов и получил поддержку и помощь от добровольцев, которым удалось создать полноценное и функциональное ядро.

Linux является Unix-подобным, но был разработан без какого-либо кода Unix, в отличие от BSD и его вариантов. Из-за своей модели с открытой лицензией код ядра Linux доступен для изучения и модификации, что привело к его использованию на широком спектре вычислительной техники от суперкомпьютеров до смарт-часов. Оценки предполагают, что Linux используется только на 1,82% всех настольных ПК, он широко используется для использования на серверах и встраиваемых системах, таких как сотовые телефоны. Linux заменил Unix на многих платформах и используется на большинстве суперкомпьютеров, включая топ-385. Многие из тех же компьютеров также находятся на Green500 (но в разном порядке), а Linux работает на вершине 10. Linux также широко используется на других небольших энергоэффективных компьютерах, таких как смартфоны. Ядро Linux используется в некоторых популярных дистрибутивах, таких как Red Hat, Debian, Ubuntu, Linux Mint и Android от Google, Chrome OS и Chromium OS.

Было много операционных систем, которые были значительными в свое время, но их уже нет, таких как AmigaOS; OS/2 от IBM и Microsoft; Классическая Mac OS, предшественник не-Unix для MacOS от Apple; BeOS; XTS-300; RISC OS; MorphOS; Хайку; BareMetal и FreeMint. Некоторые из них по-прежнему используются на нишевых рынках и продолжают развиваться как платформы меньшинств для сообществ энтузиастов и специализированных приложений. OpenVMS, ранее из DEC, все еще активно развивается Hewlett-Packard. Тем не менее, другие операционные системы используются почти исключительно в академических кругах, для обучения в операционных системах или для исследования концепций операционной системы. Типичным примером системы, которая выполняет обе роли, является MINIX, тогда как, например, Singularity используется исключительно для исследования. Другие операционные системы не смогли завоевать значительную долю на рынке, но ввели инновации, которые повлияли на основные операционные системы.

АРХИТЕКТУРА LINUX и WINDOWS

В Linux любая программа через системные вызовы обращается к ядру ОС через интерфейс системных вызовов. Ядро через архитектурно зависимый код транслирует команды аппаратному обеспечению. Все это очень просто и быстро, единственное что заслуживает внимание - то, что программы "видят" себя в едином виртуальном окружении независимо от архитектуры системы. Структура и системные вызовы стандартизированы и едины для любой аппаратной платформы. Графическая подсистема является одной из внешних программ, поэтому сменить графическую оболочку можно без перезагрузки ОС. На рисунке 3.1 представлена архитектура Linux системы.

Рисунок 3.1 – архитектура Linux

Структура ядра Windows намного более сложная. Программа под Windows обращается через документированный Windows API к библиотеке (например Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll), эти библиотеки по внутреннему протоколу (документация для разработчиков не из Microsoft не доступна) обращается по протоколу Native API к Ntdll.dll и далее передается через диспетчер системных сервисов ядру (все это внутри Ntoskrnl.exe).

После обработки в режиме ядра и использованию драйверов данные передаются Hal.dll - библиотеке которая непосредственно управляет оборудованием. Второй системой управляющей оборудованием является графическое ядро (проприетарные функции видеокарт в основном касаются именно этого).

Важно отметить одну особенность пользовательского режима ядра Windows - "Подсистемы окружения". Эта компонента позволяет Windows использовать коды стандартов POSIX, Win16 и т.п. Данный механизм по сути является набором виртуальных ядер сторонних ОС и позволяет быстро адаптировать под Windows любой сторонний код.

Не менее важным является включение графической подсистемы в ядро (в современных серверных ОС данная система отключена или отсутствует), что, во-первых, не дает сменить графическую оболочку "на ходу", а во-вторых, уже не способствует быстродействию. Архитектура windows представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Архитектура Microsoft Windows

Однако нужно учитывать тот факт, что время идёт и архитектура систем меняется. На текущий момент времени ядра операционных систем являются гибридными в связи с их многоплатформенностью и адаптивностью. Яркий пример тому Microsoft Windows 10 с их конвергенцией ядра и адаптацией изображен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – конвергенция платформы Windows

В настоящее время наблюдается значительное повышение надежности, безопасности и отказоустойчивости ОС; сближение по возможностям ОС для настольных компьютеров и ОС для мобильных устройств. Тенденция к проектам по ОС с открытым кодом – это очень выгодное направление в развитии ОС, так как фирмам-разработчикам необходимы новые идеи, которые им могут предложить молодые программисты.

огромное значение имеет спрос на корпоративные операционные системы, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования и управления. Здесь то требуется возможность обработки огромного объема данных. Кто-то делает ставку на облачные хранилища, и прогнозирует "вымирание" ОС вовсе. Даже при том, что мы пользуемся облаками, такая перспектива не кажется возможной в ближайшие годы. Наблюдается стремление разработчиков к повышению производительности за счет более разумного использования ресурсов (Windows 10 запускается на 28% быстрее, нежели Windows 7), надежности и удобства в использовании. Будь то голосовое управление или различные уникальные нововведения в интерфейс для более дружелюбного взаимодействия.

ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Основные функции ОС:

• управление устройствами компьютера (ресурсами), т.е. согласованная работа всех аппаратных средств ПК: стандартизованный доступ к периферийным устройствам, управление оперативной памятью и др.
• управление процессами, т.е. выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
• ведение файловой структуры.
• пользовательский интерфейс, т.е. диалог с пользователем.

Дополнительные функции:

• параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений.
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему ВIOS (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней — прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем — посредническая. Она заключаются в обеспечении нескольких видов интерфейса:

• интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
• интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
• интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем. В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последовательность команд. Суть диалогового режима состоит в том, что операционная система находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS (которые, в свою очередь, также основаны на использовании прерываний процессора) Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.

Все операционные системы обеспечивают свой автоматический запуск. Для дисковых операционных систем в специальной (системной) области диска создается запись программного кода. Обращение к этому коду выполняют программы, находящиеся в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Завершая свою работу, они дают команду на загрузку и исполнение содержимого системной области диска.

BIOS — базовая система ввода-вывода (англ. Basic Input/Output System), которая хранится в материнской плате компьютера. BIOS начинает работу сразу при включении ПК, система запускает аппаратные компоненты и программу для загрузки Windows или другой операционной системы.

BIOS был разработан в далеком 1975 году, когда никто не мог и представить жесткий диск на 2 Тб. Сегодня это обычный объем памяти для домашнего компьютера. BIOS не поддерживает жесткие диски такого объема — это одна из причин, по его постепенно вытесняет UEFI.

Новые компьютеры используют UEFI — универсальный интерфейс расширяемой прошивки (англ. Unified Extensible Firmware Interface), но его все равно по старинке называют «биос», чтобы не путать пользователей лишний раз. UEFI — это современное решение, которое поддерживает жесткие диски большего объема, быстрее загружается, имеет понятный графический интерфейс и поддерживает управление мышью!

BIOS используется загрузки ОС, проверки работоспособности «железа» и настройки ПК. Например, для изменения конфигурации жесткого диска, порядка загрузки ОС (с жесткого диска, флешки или другого носителя) и установки системного времени. Эти настройки сохранятся в памяти материнской платы.

Кроме того, BIOS проводит POST — самотестирование после включения (англ. Power-On Self Test) для проверки конфигурации оборудования. Если что-то не в порядке, выводится сообщение об ошибке или звуковой сигнал. Когда компьютер не включается и слышится «писк» из 8-битной игры — это работа BIOS. Чтобы понять, что именно сломалось, нужно найти инструкцию к материнской плате, которая объяснит значение того или иного звукового сигнала.

Со времени своего создания BIOS почти не развивался качественно. Выходили отдельные дополнения и расширения. Например, ACPI — усовершенствованный интерфейс управления конфигурацией и питанием (англ. Advanced Configuration and Power Interface).

Этот интерфейс упрощал установку BIOS и управление питанием, а также переходом в спящий режим. Однако этого было недостаточно, BIOS безнадежно застрял во временах MS-DOS. Например, BIOS может загружаться только с дисков объемом менее 2,1 Тб. Кроме того, у него есть проблемы с одновременной инициализацией нескольких аппаратных устройств, что приводит к замедлению загрузки на компьютерах с современными комплектующими.

В 1998 году компания Intel впервые задумалась о замене BIOS и начала работу над Extensible Firmware Interface (EFI) для недооцененной серии 64-разрядных процессоров Itanium. Для распространения нового интерфейса требовалась широкая поддержка всей отрасли. Apple выбрали EFI для Mac еще в 2006 году, но другие производители не последовали их примеру.

UEFI поддерживает эмуляцию BIOS, так что у пользователей остается возможность работать на устаревших ОС остается. Новый стандарт позволяет избежать ограничений BIOS. UEFI может загружать ОС с дисков, объем которых превышает 2,2 Тб. Фактический предел для них составляет 9,4 зеттабайт. Это примерно в три раза превышает предполагаемый объем всех данных в Интернете.

UEFI поддерживает 32-битный или 64-битный режимы, а его адресное пространство больше, чем у BIOS – что значительно ускоряет загрузку. Кроме того, экран настройки UEFI обладает более гибким функционалом с поддержкой мыши и пользовательским интерфейсом.

Поддержка Secure Boot позволяет проверить, что загрузку ОС не изменила вредоносная программа. UEFI позволяет проводить удаленную настройку и отладку. BIOS так не умеет.

По сути, UEFI — самостоятельная операционная система, работающая поверх прошивки ПК. Она может храниться во флэш-памяти на материнской плате или загружаться из других источников (жесткий диск и другие носители).

Материнские платы с UEFI от разных производителей будут иметь разный интерфейс и функционал. Все зависит от конкретной модели, но базовые настройки будут одинаковыми для любого компьютера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Операционная система в дальнейшем станет чем-то похожим на веб-браузер, установленный на голое железо. Современный классический интерфейс (разработанный в Xerox PARC и впервые внедренный Apple почти 30 лет назад) отойдет в прошлое. Многие современные составные части ОС станут попросту не нужны, другие скроются от пользователя и превратятся в сервисы API для программистов. Основной задачей ОС станет предоставление возможности запуска клиентской части облачных сервисов. И преимущества, которые имеет Microsoft в современном мире ОС, будет значительно растеряны. Им придется придумывать новые способы привязки к себе пользователей и программистов в новой среде, более конкурентной, по сравнению с нынешней.

Список литературы

1. Голицына О.Л. Информационные системы/ Голицына О.Л., Максимов Н.В., Попов И.И. – Учебное пособие. 2-е изд. М.: ФОРУМ,2016 – 448 с.
2. Таненбаум, Эндрю С. Современные операционные системы. 4-е изд. — СПб. Питер, 2012.
3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы — СПб.: Питер, 2008.
4. Русскоязычная электронная энциклопедия «Википедия» ru.Wikipedia.org
5. Компоненты Windows 10 [Электронный ресурс]: официальный сайт разработчика / Microsoft Corporation — 2018. — Режим доступа: https://www.microsoft.com/ru-ru/windows/features?section=familiar7