Презентация на тему «Операционные системы»

Слайд 1. Операционные системы

• Назначение, архитектура, управление ресурсами и современное развитие системного программного обеспечения

Доклад: Здравствуйте! Тема нашей презентации — операционные системы, то есть то программное обеспечение, без которого ни один компьютер не превращается из набора микросхем в рабочий инструмент. Мы разберём, зачем нужна операционная система, как она устроена изнутри и как управляет процессором, памятью и устройствами. Отдельно поговорим о современном состоянии рынка и об отечественных платформах.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Операционная система: определение и назначение
• Основные функции операционной системы
• История развития операционных систем
• Создатели операционных систем
• Уровни архитектуры операционной системы
• Монолитное ядро и микроядро
• Жизненный цикл процесса
• Алгоритмы планирования процессов
• Управление оперативной памятью
• Виртуальная память: ключевые понятия
• Классификация файловых систем
• Подсистема ввода-вывода
• Процесс и поток
• Безопасность операционной системы
• Доли настольных операционных систем
• Мобильные операционные системы
• Отечественные операционные системы
• Тенденции развития
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Работа построена последовательно: сначала определение и функции операционной системы, затем история и люди, которые её создавали. Основная часть посвящена архитектуре ядра, управлению процессами, памятью, файлами и вводом-выводом. Завершают доклад вопросы безопасности, обзор рынка, отечественные разработки и тенденции развития.

Слайд 3. Введение

• Операционная система — обязательный посредник между программами и оборудованием: без неё ни компьютер, ни смартфон, ни банкомат не запустят ни одной прикладной программы.
• Сегодня под управлением операционных систем работает более шести миллиардов устройств — от микроконтроллеров умного дома до суперкомпьютеров с сотнями тысяч процессорных ядер.
• От устройства операционной системы напрямую зависят быстродействие, надёжность и защищённость любой информационной системы, поэтому это базовая дисциплина подготовки специалиста.
• Курс объединяет теорию — управление процессами, памятью и вводом-выводом — с практикой администрирования и системного программирования.

Доклад: Операционная система стоит между прикладной программой и оборудованием, и без неё не запустится ни одно приложение — ни в смартфоне, ни в банкомате. Сегодня под управлением операционных систем работает более шести миллиардов устройств, от микроконтроллеров до суперкомпьютеров. Именно от системного программного обеспечения зависят быстродействие, надёжность и защищённость любой информационной системы, поэтому эта дисциплина остаётся базовой для специалиста по информационным технологиям.

Слайд 4. Операционная система: определение и назначение

• Операционная система — комплекс взаимосвязанных программ, который управляет аппаратными ресурсами вычислительной машины, организует согласованное выполнение прикладных программ и предоставляет пользователю удобный и безопасный интерфейс работы с оборудованием.
• ≈400 — системных вызовов — столько точек входа в ядро предоставляет современная система на базе ядра Линукс
• 30 млн — строк кода — объём исходного кода ядра Линукс вместе с драйверами устройств
• 6 млрд — устройств — работают в мире под управлением операционных систем разных семейств

Доклад: Операционная система — это комплекс взаимосвязанных программ, управляющий аппаратными ресурсами и организующий выполнение прикладных задач. Чтобы почувствовать масштаб: ядро современной системы предоставляет программам около четырёхсот системных вызовов, а его исходный код вместе с драйверами насчитывает порядка тридцати миллионов строк. При этом для пользователя вся эта сложность скрыта за привычным рабочим столом.

Слайд 5. Основные функции операционной системы

• Управление процессами — запуск, планирование и завершение задач
• Управление памятью — распределение и защита адресных пространств
• Файловая система — хранение и именование данных на носителях
• Управление устройствами — драйверы и обмен данными с оборудованием
• Интерфейс пользователя — командная строка и графическая оболочка

Доклад: Все функции операционной системы — это грани одного целого: она одновременно распределяет процессорное время, память, дисковое пространство и доступ к устройствам. Управление процессами отвечает за запуск и завершение задач, управление памятью — за изоляцию программ друг от друга. Файловая система даёт данным имена и структуру, драйверы связывают систему с оборудованием, а интерфейс делает всё это доступным человеку.

Слайд 6. История развития операционных систем

• Операционные системы прошли путь от простых программ-загрузчиков для машин с перфокартами до многозадачных сетевых платформ.
• Каждое поколение отвечало на новые возможности оборудования: пакетную обработку сменило разделение времени, а затем — графический и мобильный интерфейс.
• 1956 — первая пакетная система для ЭВМ IBM 704
• 1964 — семейство машин System/360 и его система
• 1969 — рождение системы Юникс в лаборатории Bell Labs
• 1981 — система MS-DOS для персональных компьютеров
• 1991 — Линус Торвальдс публикует первое ядро Линукс
• 2007 — начало эпохи мобильных операционных систем

Доклад: История операционных систем — это история того, как оборудование становилось сложнее, а человек — дальше от машины. Первые пакетные системы середины пятидесятых просто автоматизировали смену заданий на перфокартах. Затем появились системы разделения времени, Юникс задал принципы, живые до сих пор, а девяностые и двухтысячные принесли персональные, а потом и мобильные платформы.

Слайд 7. Создатели операционных систем

• Кен Томпсон, род. 1943, Один из создателей системы Юникс и языка Би в лаборатории Bell Labs
• Деннис Ритчи, 1941–2011, Автор языка Си, на котором была переписана система Юникс
• Линус Торвальдс, род. 1969, Создатель ядра Линукс, начатого в 1991 году как студенческий проект
• Эндрю Таненбаум, род. 1944, Автор учебной микроядерной системы Миникс и классических учебников по операционным системам

Доклад: За каждой знаковой системой стоят конкретные люди. Кен Томпсон и Деннис Ритчи в лаборатории Bell Labs создали Юникс и язык Си, на котором система была переписана и стала переносимой. Линус Торвальдс в 1991 году опубликовал первое ядро Линукс, которое сегодня работает на большинстве серверов мира. Эндрю Таненбаум написал учебную микроядерную систему Миникс и учебники, по которым учится не одно поколение студентов.

Слайд 8. Уровни архитектуры операционной системы

• Многоуровневое строение позволяет заменить один слой, не переписывая остальные.
• Верхние слои работают в пользовательском режиме процессора, ядро — в привилегированном.
• Переход между режимами выполняется только через системные вызовы и прерывания.
• Чёткие границы слоёв упрощают перенос системы на новое оборудование.
• Прикладные программы — браузеры, редакторы, системы управления базами данных
• Утилиты и оболочки — командные интерпретаторы, службы, средства администрирования
• Системные библиотеки — готовые функции, скрывающие сложность обращения к ядру
• Ядро — планировщик, диспетчер памяти, файловая система, сетевая подсистема
• Уровень абстракции оборудования — драйверы и обработка прерываний

Доклад: Операционную систему удобно представлять как слоёный пирог. Внизу — драйверы и обработка прерываний, выше — ядро с планировщиком и диспетчером памяти, ещё выше — библиотеки, утилиты и, наконец, прикладные программы. Ключевая граница проходит между пользовательским и привилегированным режимом процессора: пересечь её можно только через системный вызов или прерывание.

Слайд 9. Монолитное ядро и микроядро

• Способ организации ядра определяет и быстродействие, и надёжность всей системы. Спор о двух подходах стал публичным после известной дискуссии Эндрю Таненбаума и Линуса Торвальдса в 1992 году.
• Все службы работают в едином привилегированном адресном пространстве
• Взаимодействие подсистем быстрое — это обычные вызовы функций
• Ошибка в одном драйвере способна обрушить систему целиком
• Примеры: ядро Линукс, гибридное ядро семейства Windows NT
• В ядре остаются лишь планирование, память и передача сообщений
• Драйверы и файловые системы вынесены в пользовательский режим
• Сбой службы не останавливает систему: её можно перезапустить на ходу
• Плата за надёжность — накладные расходы на обмен сообщениями (Миникс 3, QNX)

Доклад: Главный архитектурный выбор — что оставить внутри ядра. В монолитном ядре все службы работают в одном привилегированном пространстве: это быстро, но ошибка в драйвере роняет всю систему. В микроядре внутри остаются только планирование, память и обмен сообщениями, а драйверы вынесены наружу и при сбое просто перезапускаются. Спор о том, какой подход правильнее, публично начали Таненбаум и Торвальдс ещё в 1992 году, и он не закончен до сих пор.

Слайд 10. Жизненный цикл процесса

• Процесс — это программа в стадии выполнения вместе с её данными, стеком и контекстом.
• В состоянии готовности процесс ждёт своей очереди на процессор.
• Выполнение прерывается по истечении кванта времени или при обращении к устройству.
• В состоянии ожидания процесс ждёт завершения ввода-вывода или внешнего сигнала.
• Все сведения о процессе хранятся в блоке управления процессом.
• Создание
• Готовность
• Выполнение
• Ожидание
• Завершение

Доклад: Процесс — это программа в стадии выполнения вместе с данными, стеком и контекстом. Родившись, процесс попадает в очередь готовых, получает процессор, работает до конца кванта времени или до обращения к устройству, уходит в состояние ожидания и снова возвращается в очередь. Этот круг повторяется многократно, а вся информация о процессе хранится в специальной структуре — блоке управления процессом.

Слайд 11. Алгоритмы планирования процессов

• Планировщик решает, какой из готовых процессов получит процессор в ближайший квант времени.
• В настольных системах важнее отзывчивость интерфейса, в серверных — общая пропускная способность.

Доклад: Планировщик — сердце многозадачности: он решает, кто из готовых процессов получит процессор прямо сейчас. Простая очередь в порядке поступления честна, но длинная задача задерживает короткие; кратчайшая задача первой оптимальна теоретически, но требует знать время выполнения заранее. На практике используют круговое обслуживание с квантом в десятки миллисекунд и многоуровневые очереди с приоритетами.

Слайд 12. Управление оперативной памятью

• Диспетчер памяти выделяет каждой программе собственное адресное пространство и не позволяет ей читать чужие данные.
• Логические адреса программы преобразуются в физические аппаратным блоком управления памятью прямо во время обращения.
• Непрерывное распределение вытеснено страничной организацией: память делится на страницы, обычно по четыре килобайта.
• Редко используемые страницы вытесняются в файл подкачки, поэтому программа может быть больше объёма установленной памяти.

Доклад: Диспетчер памяти выдаёт каждой программе собственное адресное пространство, а блок управления памятью на лету переводит логические адреса в физические. Память делится на страницы, обычно по четыре килобайта, и редко используемые страницы вытесняются на диск в файл подкачки. Благодаря этому программа может занимать больше памяти, чем физически установлено в компьютере.

Слайд 13. Виртуальная память: ключевые понятия

• Виртуальная память — механизм, при котором программе доступно адресное пространство больше физической памяти
• Страница — блок виртуальной памяти фиксированного размера, чаще всего четыре килобайта
• Таблица страниц — структура, связывающая виртуальные страницы с физическими кадрами памяти
• Промах страницы — прерывание, возникающее при обращении к странице, которой нет в оперативной памяти
• Буфер быстрой трансляции — аппаратный кэш последних преобразований адресов, ускоряющий доступ в десятки раз

Доклад: Разберём ключевые термины виртуальной памяти. Страница и физический кадр связаны через таблицу страниц; если нужной страницы в памяти нет, возникает промах страницы, и система подгружает её с диска. Чтобы не обращаться к таблице при каждом доступе, процессор хранит последние преобразования в специальном аппаратном кэше — он ускоряет работу в десятки раз.

Слайд 14. Классификация файловых систем

• Файловая система задаёт правила именования, размещения и защиты данных на носителе. Удобнее всего классифицировать их по семейству операционных систем и по назначению.
• FAT32
• exFAT
• NTFS
• ReFS
• ext4
• XFS
• Btrfs
• F2FS
• NFS
• SMB
• ISO 9660
• Файловые системы в памяти

Доклад: Файловая система определяет, как данные именуются, размещаются на носителе и защищаются от постороннего доступа. В мире Windows это ряд от простой FAT32 до журналируемой NTFS, в системах на базе Линукс — ext4, XFS и Btrfs с моментальными снимками. Отдельную группу образуют сетевые и специальные системы: доступ к удалённым дискам, оптические носители и файловые системы, целиком живущие в оперативной памяти.

Слайд 15. Подсистема ввода-вывода

• Драйвер устройства переводит общие запросы операционной системы в команды конкретной модели оборудования.
• Обмен данными организуется тремя способами: программным опросом, по прерываниям и через прямой доступ к памяти.
• Буферизация сглаживает разницу в скорости между быстрым процессором и медленным внешним устройством.
• Кэширование дисковых блоков в оперативной памяти сокращает число обращений к накопителю в десятки раз.
• Спулинг выстраивает очередь заданий к устройству совместного пользования — например, к сетевому принтеру.

Доклад: Подсистема ввода-вывода скрывает от программиста различия между тысячами моделей устройств. Драйвер переводит общий запрос в команды конкретного оборудования, а обмен идёт опросом, по прерываниям или через прямой доступ к памяти. Буферизация сглаживает разницу в скоростях, кэширование резко сокращает обращения к диску, а спулинг выстраивает аккуратную очередь к общему принтеру.

Слайд 16. Процесс и поток

• Процесс — собственное адресное пространство, открытые файлы, права доступа
• Поток — свой стек, набор регистров и место в очереди планировщика
• Единица выполнения

Доклад: Процесс и поток часто путают, хотя разница принципиальна. Процесс владеет адресным пространством, открытыми файлами и правами доступа, а поток — это лишь линия выполнения со своим стеком и регистрами. Потоки одного процесса делят общую память, поэтому переключение между ними дешевле, но требует аккуратной синхронизации. Общее у них одно: и то и другое планируется ядром.

Слайд 17. Безопасность операционной системы

• Большая часть защиты скрыта от пользователя и работает внутри ядра.
• Свыше семидесяти процентов уязвимостей связаны с ошибками работы с памятью.
• Регулярные обновления закрывают уже известные бреши и обязательны в любой организации.
• Разграничение полномочий строится на принципе наименьших привилегий.
• Вход по паролю — то, что видит пользователь: экран блокировки и запрос учётных данных
• Права доступа — списки разграничения определяют, кто может читать и изменять данные
• Изоляция процессов — аппаратная защита памяти не даёт программе прочитать чужие данные
• Привилегированный режим — опасные команды доступны только ядру, а не прикладным программам
• Журналирование и аудит — система фиксирует события, по которым расследуют инциденты

Доклад: Безопасность операционной системы похожа на айсберг: пользователь видит только экран блокировки и запрос пароля. Под водой скрыты списки разграничения доступа, аппаратная изоляция памяти, привилегированный режим процессора и подробное журналирование событий. Больше семидесяти процентов уязвимостей связаны именно с ошибками работы с памятью, поэтому обновления безопасности — не формальность, а обязательная процедура.

Слайд 18. Доли настольных операционных систем

• На настольных компьютерах сохраняется преобладание одной платформы, тогда как на серверах и в мобильных устройствах картина обратная.
• Доля систем на базе ядра Линукс растёт медленно, но устойчиво, в том числе за счёт корпоративного и государственного сектора.

Доклад: На настольных компьютерах картина устойчива: около семидесяти процентов приходится на Windows, порядка пятнадцати — на macOS, а доля систем на базе Линукс держится на уровне нескольких процентов. Но стоит перейти к серверам и суперкомпьютерам, как соотношение переворачивается: там Линукс практически монополист. Это хорошо показывает, что «главная» система зависит от области применения.

Слайд 19. Мобильные операционные системы

• Мобильные системы построены на тех же принципах, но жёстко экономят энергию: неиспользуемые ядра процессора и модули связи отключаются автоматически.
• Андроид использует ядро Линукс и собственную среду выполнения приложений, а iOS построена на ядре семейства Юникс.
• Каждое приложение работает в «песочнице» и обязано запрашивать разрешения на доступ к камере, геоданным и списку контактов.
• На мобильные устройства приходится большая часть выходов в интернет — свыше шестидесяти процентов мирового трафика.

Доклад: Мобильные операционные системы решают те же задачи, но с жёстким ограничением по энергопотреблению: неиспользуемые ядра и радиомодули отключаются автоматически. Андроид построен на ядре Линукс, iOS — на ядре семейства Юникс, и обе изолируют приложения в «песочнице» с явным запросом разрешений. Сегодня на мобильные устройства приходится более шестидесяти процентов мирового интернет-трафика.

Слайд 20. Отечественные операционные системы

• 2008 — Astra Linux — Система на базе Дебиан, сертифицированная по требованиям защиты информации для государственных заказчиков
• 2001 — Альт — Семейство систем компании «Базальт СПО» с собственным репозиторием «Сизиф» и полным циклом сборки
• 2019 — РЕД ОС — Платформа для органов власти и организаций, включённая в реестр отечественного программного обеспечения

Доклад: В России сформировалось собственное семейство операционных систем. Astra Linux развивается с 2008 года и сертифицирована по требованиям защиты информации, включая работу с государственной тайной. Семейство «Альт» опирается на независимый репозиторий «Сизиф» и полный цикл сборки внутри страны, а РЕД ОС ориентирована на органы власти и включена в реестр отечественного программного обеспечения.

Слайд 21. Тенденции развития

• Контейнеры вместо тяжёлых виртуальных машин
• Микроядерные решения там, где критична надёжность
• Языки с безопасной работой с памятью в коде ядра
• Системы реального времени для интернета вещей
• Переход организаций на отечественные платформы

Доклад: Куда движутся операционные системы? Тяжёлые виртуальные машины уступают место контейнерам, которые запускаются за доли секунды. Там, где цена отказа высока — в транспорте и медицине — возвращается интерес к микроядрам, а в код ядра приходят языки с безопасной работой с памятью. Параллельно растёт спрос на компактные системы реального времени для интернета вещей и на отечественные платформы.

Слайд 22. Выводы

• Операционная система — фундамент вычислительной техники: она превращает набор микросхем в удобную, управляемую и защищённую среду для программ.
• Все системы, от встраиваемых до серверных, решают один набор задач: управление процессами, памятью, файлами, устройствами и доступом.
• Выбор архитектуры ядра всегда остаётся компромиссом между быстродействием монолита и надёжностью микроядра.
• Развитие оборудования постоянно смещает приоритеты: сегодня это энергоэффективность, контейнеризация и безопасная работа с памятью.
• Для российских организаций практическую значимость приобрёл переход на отечественные сертифицированные платформы.

Доклад: Подведём итоги. Операционная система превращает набор аппаратуры в управляемую и защищённую среду, и все системы решают один и тот же набор задач: процессы, память, файлы, устройства, доступ. Архитектура ядра всегда остаётся компромиссом между скоростью и надёжностью, а приоритеты развития задаёт оборудование. Для российских организаций отдельную практическую значимость приобрёл переход на сертифицированные отечественные платформы.

Слайд 23. Список литературы

• Гордеев, А. В. Операционные системы : учебник для вузов / А. В. Гордеев. — 2-е изд. — Санкт-Петербург : Питер, 2009. — 416 с.
• Олифер, В. Г. Сетевые операционные системы : учебник / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. — 2-е изд. — Санкт-Петербург : Питер, 2008. — 669 с.
• Столлингс, У. Операционные системы. Внутренняя структура и принципы проектирования / У. Столлингс. — 4-е изд. — Москва : Вильямс, 2004. — 848 с.
• Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум, Т. Остин. — 6-е изд. — Санкт-Петербург : Питер, 2013. — 816 с.
• Таненбаум, Э. Современные операционные системы / Э. Таненбаум, Х. Бос. — 4-е изд. — Санкт-Петербург : Питер, 2018. — 1120 с.

Доклад: В основу работы легли классические учебники: «Современные операционные системы» Эндрю Таненбаума, «Внутренняя структура и принципы проектирования» Уильяма Столлингса, а также отечественные пособия Гордеева и Олиферов. Эти источники рекомендуются для самостоятельного изучения темы. Библиографические описания приведены по действующему стандарту.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад завершён. Мы прошли путь от определения операционной системы до современных тенденций её развития. Благодарю за внимание, готов ответить на ваши вопросы.