Какие шаги в алгоритме взаимодействия приложения с системой выполняются операционной системой

Обновлено: 07.01.2025

В работе в режиме пользователя часто необходимое выполнение действий, реализованных в ядре ОС (например, во время записи на диск из прикладной программы). Для этого надо обеспечить взаимодействие программы пользователя и ОС. Рассмотрим особенности такого взаимодействия.

Системные вызовы и интерфейс между прикладной программой и ОС

Системный вызов - это средство доступа к определенной функции ядра операционной системы из прикладных программ.

Набор системных вызовов определяет действие, которые ядро может выполнить по запросу процессов пользователя. Системные вызовы организуют интерфейс между прикладной программой и ядром ОС.

Рассмотрим последовательность выполнения системного вызова.

1. Предположим, что для процесса, который выполняется в режиме пользователя, нужна функция, реализованная в ядре системы.

2. Для того чтобы обратиться к этой функции, процесс должен передать управление ядру ОС, для чего необходимо задать параметры вызова и выполнить программное прерывание (инструкцию системного вызова). Происходит переход в привилегированный режим.

3. После получения управления ядро считывает параметры вызова и определяет, что нужно сделать.

4. После этого ядро выполняет нужны действия, сохраняет в памяти значения, которые следует возвратить, и передает управление программе, которая его вызвала. Происходит переход назад в режим пользователя.

5. Программа считывает из памяти сохраненные значения и продолжает свою работу.

Как видим, каждый системный вызов служит причиной перехода в привилегированный режим и назад (в микроядровой архитектуре, таких переходов может быть и больше).

Рассмотрим способы передачи параметров в системном вызове. К ним принадлежат:

Системные вызовы предназначены для непосредственного доступа к службам ядра ОС. На практике они не исчерпывают (а иногда и не определяют) те функции, которые можно использовать в прикладных программах для доступа к службам ОС или средств системных библиотек. Для обозначения этого набора функций используют термин интерфейс программирования приложений (API).

Взаимосвязь между функциями АРI и системными вызовами неодинаковы в разных ОС.

Во-первых, каждому системному вызову может быть поставленная в соответствие библиотечная функция, единственной задачей которой являются выполнения этого вызова. Такую функцию называют упаковщиком системного вызова. Для программиста в этом случае набор функций АРI выглядит как совокупность таких упаковщиков и дополнительных функций, реализованных библиотеками полностью или частично в режиме пользователя. Это решение принято за основу в UNIX и в таком случае принято говорить об использовании системных вызовов в прикладных программах (на самом деле программы вызывают упаковщики системных вызовов).

Во-вторых, можно предоставить для использования в прикладных программах универсальный интерфейс программирования применений (АРI режима пользователя) и полностью спрятать за ним набор системных вызовов. Для программиста каждая функция такого АРI является библиотечной функцией режима пользователя, упаковщика в этом случае нет, сведения о системных вызовах есть деталями реализации ОС. Это присуще WINDOWS -системам, где подобный универсальный набор функций называют Win32 АРI.

Выводы

Какие особенности характерны для современных универсальных операционных систем?

+ 1. поддержка многозадачности

+ 2. поддержка сетевых функций

+ 3. обеспечение безопасности и защиты данных

4. предоставление большого набора системных функций разработчикам приложений

+ 1. API-функции определяют прикладной программный интерфейс

+ 2. API-функции используются при разработке приложений для доступа к ресурсам компьютера

3. API-функции реализуют самый нижний уровень ядра системы

Какие особенности характерны для ОС Unix

+ 1. открытость и доступность исходного кода

2. ориентация на использование оконного графического интерфейса

+ 3. использование языка высокого уровня С

+ 4. возможность достаточно легкого перехода на другие аппаратные платформы

Какие типы операционных систем используются наиболее часто в настоящее время?

+ 1. системы семейства Windows

+ 2. системы семейства Unix/Linux

3. системы семейства MS DOS

4. системы семейства IBM OS 360/370

Какие задачи необходимо решать при создании мультипрограммны х ОС

+ 1. защита кода и данных разных приложений, размещенных вместе в основной памяти

+ 2. централизованное управление ресурсами со стороны ОС

+ 3. переключение процессора с одного приложения на другое

4. необходимость размещения в основной памяти кода и данных сразу многих приложений

Какое соотношение между используемыми на СЕРВЕРАХ операционными системами сложилось в настоящее время?

+ 1. примерно поровну используются системы семейств Windows и Unix/Linux

+ 1. ядро реализует наиболее важные функции ОС

+ 2. подпрограммы ядра выполняются в привилегированно м режиме работы процессора

3. ядро в сложных ОС может строиться по многоуровневому принципу

4. ядро всегда реализуется на аппаратном уровне

Какие шаги в алгоритме взаимодействия приложения с системой выполняются операционной системой

1. небольшую структуру данных, содержащую информацию о некотором событии

2. специальную API-функцию, вызываемую системой при возникновении события

3. однобайтовое поле с кодом происшедшего события

+ 4. небольшое окно, выводящее пользователю информацию о возникшем событии

Какие утверждения относительно иерархии окон являются справедливыми

+ 1. главное окно может содержать любое число подчиненных окон

+ 2. любое подчиненное окно может содержать свои подчиненные окна

3. подчиненные окна могут быть двух типов – дочерние и всплывающие

+ 4. приложение может иметь несколько главных окон

Как можно узнать координаты текущего положения мыши при нажатии левой кнопки

+ 1. с помощью события WM_LbuttonDown и его поля LPARAM

2. с помощью события WM_LbuttonDown и его поля WPARAM

3. с помощью события WM_LbuttonDown и его полей WPARAM и LPARAM

4. с помощью события WM_LbuttonCoordi nates

Какие функции можно использовать для получения контекста устройства?

Какая инструкция (оператор) является основной при написании оконной функции?

2. условная инструкция if – then

3. инструкция цикла с известным числом повторений

4. инструкция цикла с неизвестным числом повторений

Какой вызов позволяет добавить строку в элемент-список?

+ 1. SendMessage (MyEdit, lb_AddString, 0, строка)

2. SendMessage (“Edit”, lb_AddString, 0, строка)

3. SendMessage (MyEdit, AddString, 0, строка)

4. SendMessage (MyEdit, строка, lb_AddString, 0)

Какие утверждения относительно оконной функции являются правильными

+ 1. оконная функция принимает 4 входных параметра

+ 2. тело оконной функции – это инструкция выбора с обработчиками событий

+ 4. оконная функция явно вызывается из основной функции приложения

Что может быть причиной появления внутреннего прерывания

+ 1. попытка деления на ноль

2. попытка выполнения запрещенной команды

+ 3. попытка обращения по несуществующему адресу

4. щелчок кнопкой мыши

Какие операции определяют взаимодействие драйвера с контроллером

+ 1. проверка состояния устройства

+ 2. запись данных в регистры контроллера

+ 3. чтение данных из регистров контроллера

4. обработка прерываний от устройства

Какие операции включает в себя вызов обработчика нового прерывания

+ 1. обращение к таблице векторов прерываний для определения адреса первой команды вызываемого обработчика

2. сохранение контекста для прерываемого программного кода

+ 3. занесение в счетчик команд начального адреса вызываемого обработчика

+ 4. внесение необходимых изменений в таблицу векторов прерываний

Что входит в программный уровень подсистемы ввода/вывода

2. диспетчер ввода/вывода

+ 3. системные вызовы

Что определяет понятие “порт ввода/вывода”

+ 1. порядковый номер или адрес регистра контроллера

2. машинную команду ввода/вывода

3. устройство ввода/вывода

4. контроллер устройства ввода/вывода

Какие существуют типы прерываний

+ 1. внешние или аппаратные прерывания

+ 2. внутренние прерывания или исключения

+ 3. программные псевдопрерывания

4. системные прерывания

Какие утверждения относительно понятия прерывания являются правильными

2. прерывания используются для синхронизации работы основных устройств вычислительной системы

+ 3. прерывания возникают в непредсказуемые моменты времени

Какую информацию могут содержать регистры контроллеров устройства

+ 1. текущее состояние устройства

+ 2. текущую выполняемую устройством команду

3. данные, передаваемые от устройства системе

4. данные, передаваемые системой устройству

Как выстраиваются аппаратные прерывания в зависимости от их приоритета

1. сбой аппаратуры > таймер > дисковые устройства > сетевые устройства > клавиатура и мышь

2. сбой аппаратуры > таймер > дисковые устройства > клавиатура и мышь > сетевые устройства

+ 3. таймер > сбой аппаратуры > дисковые устройства > сетевые устройства > клавиатура и мышь

4. сбой аппаратуры > дисковые устройства > таймер > сетевые устройства > клавиатура и мышь

ОС, предоставляющая возможность одновременного доступа к вычислительной системе нескольких пользователей, называется:

многозадачной
однопользовательской
многопользовательской

Вопрос 2

При управлении процессами изоляция одного процесса от другого входит в задачи:

системного администратора
операционной системы
программы пользователя

Вопрос 3

При управлении процессами операционная система использует два основных типа информационных структур:

дескриптор процесса и идентификатор процесса
описатель процесса и идентификатор процесса
дескриптор процесса и идентификатор потоков

Вопрос 4

Использование разделения модулей ОС на резидентные и транзитные позволяет рационально использовать такой ресурс, как:

процессор
оперативная память
программный ресурс

Вопрос 5

Какие особенности характерны для современных универсальных операционных систем?

поддержка многозадачности
поддержка сетевых функций
обеспечение безопасности и защиты данных
предоставление большого набора системных функций разработчикам приложений

Вопрос 6

Какие утверждения относительно понятия «API-функция» являются правильными?

API-функции определяют прикладной программный интерфейс
API-функции используются при разработке приложений для доступа к ресурсам компьютера
API-функции реализуют самый нижний уровень ядра системы
API-функции — это набор аппаратно реализованных функций системы

Вопрос 7

Какие типы операционных систем используются наиболее часто в настоящее время?

системы семейства Unix/Linux
системы семейства Windows
системы семейства IBM OS 360/370
системы семейства MS DOS

Вопрос 8

Какие утверждения относительно понятия «Ядро операционной системы» являются правильными?

В этой статье я поговорю об связях между программами. Связи между программами или, выражаясь иначе, взаимодействие программ друг с другом в подавляющем большинстве случаев заключается в получении данных одной программой от другой. Например, программа электронных торгов может запрашивать у какой-то другой программы курс валют. Или текстовому редактору может передавать введенный пользователем текст операционная система, используя драйвер клавиатуры. Программы могут предоставлять набор функций для взаимодействия – API. Или даже иметь целые механизмы взаимодействия, называемые протоколами, когда используется множество последовательных вызовов функций, например, для сложного согласования каких-либо параметров. Большим шагом вперед является создание универсальных структур – XML и Json. Программы могут взаимодействовать с другими программами и «невежливым» способом — без протоколов и открытых API: парся данные страницы в случае грабберов, внедряясь в исполняемые файлы как вирусы или, наоборот, убивая их в случае антивирусов.

В информационных технологиях, подобно экосистемам живой природы, наблюдается очень сильное взаимное влияние программных систем друг на друга и, вообще говоря, оно может быть двух видов:

Во-первых, система может использовать нижележащий слой по уровню иерархии (при этом, как правило, слои, расположенные выше не влияют на нижележащие).
Во-вторых, система может взаимодействовать с другой системой на том же уровне иерархии, используя различные интерфейсы.

Кроме этого, по характеру взаимодействующих программ взаимодействие может быть двух видов: взаимодействуют разные части или одинаковые. Наблюдения показывают, что в первом случае, их количество может быть относительно небольшим – например, с десяток органов в организме или несколько составляющих компьютера, а если слагаемые одинаковые, то обычно их очень много: клеток в органе, транзисторов в процессоре, людей в цивилизации, программы тоже состоят из миллионов машинных команд нескольких десятков видов. При этом каждая машинная команда, клетка, каждый транзистор или каждый нейрон в нейронной сети выполняет очень простую функцию. Можно предположить, что в основе любой вещи, любой системы в самом основании лежат именно такие простые базовые составляющие.

Отличие от живой природы в том, что системы на разных уровнях достаточно независимы и могут продолжать работать при смене нижележащего слоя на другой: так, веб-сайт будет продолжать открываться если Вы смените витую пару Ethernet на Wifi.

В общем случае, взаимодействие программных систем может быть нескольких видов:

Часто программы позволяют расширять свою функциональность: текстовые редакторы и электронные таблицы позволяют создавать макросы, браузеры – добавлять расширения, все CMS – дополнять их сторонними компонентами и плагинами. Некоторые программы идут дальше по этому пути и по сути являются платформами для запуска других приложений: например, браузеры или ibm lotus notes.

Сама операционная система – это программа, единственное назначение которой — существование других программ. Она упрощает их существование, изолирует от железа, предоставляет возможность использования графического интерфейса и даёт доступ к сети, её цель – обеспечить работу другим программам.

При этом и операционные системы, и платформы, и даже CMS, которые ставят из-за единственного компонента, во многих случаях гораздо сложнее той программы, ради которой их используют, они могут включать множество самых различных обеспечивающих работу функций: разделять ресурсы, предоставлять механизм авторизации, упрощать обращение к базе данных. Это происходит и за счёт своей универсальности (например, операционная система Windows содержит несколько подсистем Win32, OS/2) для обеспечения работы для всех возможных программ.

Универсальность всегда приводит к дополнительной сложности. Это касается и тех компонент, которые программисты используют при написании программы, они гораздо сложнее и обладают гораздо большим набором функций, многие из которых не требуются и не используются. Программы часто вынуждены обеспечивать обратную совместимость – так, в Windows можно было запускать DOS-приложения. При взаимодействии систем, возможно возникновение нескольких интересных эффектов.

Первый из них называется синергия и его идея в том, что слагаемое больше, чем просто сумма слагаемых. То есть если Вы к одной технологии добавите какую-то другую, то при синергии получившаяся технология будет превосходить как первую, так и вторую. И это может быть качественно другой продукт. То есть, если Вы к компьютеру с программой добавите железный скелет, то получите робота, который больше и чем железка, и чем компьютер. Взаимодействие большого количества простых вещей может приводить к каким-то сложным взаимодействиям. Сумма простых вещей даёт сложную – набор транзисторов создаёт компьютер, набор атомов создаёт предмет, клетки в организме создают органы. Сумма людей – цивилизация – это не просто семь млрд. человек, это что-то большее.

Вторую мысль озвучил Питер Норвиг в докладе Everything is Miscellaneous. Она показалась мне удивительной: если Вы посмотрите на отдельно взятого шимпанзе и отдельно взятого человека, то увидите, что между ними много общего. Ну, то есть понятно, что шимпанзе немного сильнее, человек немного умнее, но в целом, их внешний вид немного похож, их физические и даже пусть с большой натяжкой интеллектуальные возможности сопоставимы. Но теперь если Вы взглянете на культуру шимпанзе и культуру человечества, то увидите колоссальную разницу. Цивилизацию людей даже нельзя сопоставить с цивилизацией шимпанзе. Почему-то это напомнило мне о том, что 0.99 и 1.01 вроде бы не сильно отличаются, но при возведении в какую-нибудь большую степень одно число будет стремиться к нулю, а другое – к бесконечности.

Для тех, кто просто пролистал до конца: взаимодействие программ может быть различных типов и его результат может приводить к принципиально новому уровню программной системы. Целое не всегда отражает то, что происходит в составных частях. Спасибо за внимание!

Операционная система (operating system ) – комплекс программ, предоставляющий пользователю удобную среду для работы с компьютерным оборудованием.

Операционная система позволяет запускать пользовательские программы; управляет всеми ресурсами компьютерной системы – процессором (процессорами), оперативной памятью, устройствами ввода вывода; обеспечивает долговременное хранение данных в виде файлов на устройствах внешней памяти; предоставляет доступ к компьютерным сетям.

Для более полного понимания роли операционной системы рассмотрим составные компоненты любой вычислительной системы (рис.1.1).

Все компоненты можно разделить на два больших класса – программы или программное обеспечение ( ПО , software ) и оборудование или аппаратное обеспечение ( hardware ). Программное обеспечение делится на прикладное, инструментальное и системное. Рассмотрим кратко каждый вид ПО .

Цель создания вычислительной системы – решение задач пользователя. Для решения определенного круга задач создается прикладная программа ( приложение , application ). Примерами прикладных программ являются текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, Microsoft Word ), графические редакторы ( Paint , Microsoft Visio), электронные таблицы (Microsoft Excel ), системы управления базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server ), браузеры ( Internet Explorer) и т. п. Все множество прикладных программ называется прикладным программным обеспечением ( application software ).

Создается программное обеспечение при помощи разнообразных средств программирования (среды разработки, компиляторы, отладчики и т. д.), совокупность которых называется инструментальным программным обеспечением. Представителем инструментального ПО является среда разработки Microsoft Visual Studio .

Основным видом системного программного обеспечения являются операционные системы. Их основная задача – обеспечить интерфейс (способ взаимодействия) между пользователем и приложениями с одной стороны, и аппаратным обеспечением с другой. К системному ПО относятся также системные утилиты – программы, которые выполняют строго определенную функцию по обслуживанию вычислительной системы, например, диагностируют состояние системы , выполняют дефрагментацию файлов на диске, осуществляют сжатие ( архивирование ) данных. Утилиты могут входить в состав операционной системы.

Взаимодействие всех программ с операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов ( system calls) – запросов программ на выполнение операционной системой необходимых действий. Набор системных вызовов образует API – Application Programming Interface ( интерфейс прикладного программирования).

Далее рассмотрим, какие функции должны выполнять современные операционные системы.

Функции операционной системы

К основным функциям, выполняемым операционными системами, можно отнести:

обеспечение выполнения программ – загрузка программ в память, предоставление программам процессорного времени, обработка системных вызовов;
управление оперативной памятью – эффективное выделение памяти программам, учет свободной и занятой памяти;
управление внешней памятью – поддержка различных файловых систем;
управление вводом-выводом – обеспечение работы с различными периферийными устройствами;
предоставление пользовательского интерфейса;
обеспечение безопасности – защита информации и других ресурсов системы от несанкционированного использования;
организация сетевого взаимодействия.

Структура операционной системы

Перед изучением структуры операционных систем следует рассмотреть режимы работы процессоров.

Современные процессоры имеют минимум два режима работы – привилегированный (supervisor mode) и пользовательский (user mode).

Отличие между ними заключается в том, что в пользовательском режиме недоступны команды процессора, связанные с управлением аппаратным обеспечением, защитой оперативной памяти, переключением режимов работы процессора. В привилегированном режиме процессор может выполнять все возможные команды.

Приложения, выполняемые в пользовательском режиме, не могут напрямую обращаться к адресным пространствам друг друга – только посредством системных вызовов.

Все компоненты операционной системы можно разделить на две группы – работающие в привилегированном режиме и работающие в пользовательском режиме, причем состав этих групп меняется от системы к системе.

Основным компонентом операционной системы является ядро (kernel). Функции ядра могут существенно отличаться в разных системах; но во всех системах ядро работает в привилегированном режиме (который часто называется режим ядра, kernel mode).

Термин "ядро" также используется в разных смыслах. Например, в Windows термин "ядро" (NTOS kernel) обозначает совокупность двух компонентов – исполнительной системы (executive layer) и собственно ядра (kernel layer) [12].

Существует два основных вида ядер – монолитные ядра (monolithic kernel) и микроядра (microkernel). В монолитном ядре реализуются все основные функции операционной системы, и оно является, по сути, единой программой, представляющей собой совокупность процедур [6]. В микроядре остается лишь минимум функций, который должен быть реализован в привилегированном режиме: планирование потоков, обработка прерываний, межпроцессное взаимодействие. Остальные функции операционной системы по управлению приложениями, памятью, безопасностью и пр. реализуются в виде отдельных модулей в пользовательском режиме.

Ядра, которые занимают промежуточные положение между монолитными и микроядрами, называют гибридными (hybrid kernel).

Примеры различных типов ядер:

монолитное ядро – MS-DOS, Linux, FreeBSD;
микроядро – Mach, Symbian, MINIX 3;
гибридное ядро – NetWare, BeOS, Syllable.

Кроме ядра в привилегированном режиме (в большинстве операционных систем) работают драйверы (driver) – программные модули, управляющие устройствами.

В состав операционной системы также входят:

системные библиотеки (system DLL – Dynamic Link Library, динамически подключаемая библиотека), преобразующие системные вызовы приложений в системные вызовы ядра;
пользовательские оболочки (shell), предоставляющие пользователю интерфейс – удобный способ работы с операционной системой.

Пользовательские оболочки реализуют один из двух основных видов пользовательского интерфейса:

текстовый интерфейс (Text User Interface, TUI), другие названия – консольный интерфейс (Console User Interface, CUI), интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI);
графический интерфейс (Graphic User Interface, GUI).

Пример реализации текстового интерфейса в Windows – интерпретатор командной строки cmd.exe; пример графического интерфейса – Проводник Windows (explorer.exe).

Классификация операционных систем

Классификацию операционных систем можно осуществлять несколькими способами.

По способу организации вычислений:
- системы пакетной обработки (batch processing operating systems) – целью является выполнение максимального количества вычислительных задач за единицу времени; при этом из нескольких задач формируется пакет, который обрабатывается системой;
- системы разделения времени (time-sharing operating systems) – целью является возможность одновременного использования одного компьютера несколькими пользователями; реализуется посредством поочередного предоставления каждому пользователю интервала процессорного времени;
- системы реального времени (real-time operating systems) – целью является выполнение каждой задачи за строго определённый для данной задачи интервал времени.

системы с монолитным ядром (monolithic operating systems);
системы с микроядром (microkernel operating systems);
системы с гибридным ядром (hybrid operating systems).

однозадачные (single-tasking operating systems);
многозадачные (multitasking operating systems).

однопользовательские (single-user operating systems);
многопользовательские (multi-user operating systems).

однопроцессорные (uniprocessor operating systems);
многопроцессорные (multiprocessor operating systems).

локальные (local operating systems) – автономные системы, не предназначенные для работы в компьютерной сети;
сетевые (network operating systems) – системы, имеющие компоненты, позволяющие работать с компьютерными сетями.

серверные (server operating systems) – операционные системы, предоставляющие доступ к ресурсам сети и управляющие сетевой инфраструктурой;
клиентские (client operating systems) – операционные системы, которые могут получать доступ к ресурсам сети.

открытые (open-source operating systems) – операционные системы с открытым исходным кодом, доступным для изучения и изменения;
проприетарные (proprietary operating systems) – операционные системы, которые имеют конкретного правообладателя; обычно поставляются с закрытым исходным кодом.

операционные системы мэйнфреймов – больших компьютеров (mainframe operating systems);
операционные системы серверов (server operating systems);
операционные системы персональных компьютеров (personal computer operating systems);
операционные системы мобильных устройств (mobile operating systems);
встроенные операционные системы (embedded operating systems);
операционные системы маршрутизаторов (router operating systems).

Требования к операционным системам

Основное требование, предъявляемое к современным операционным системам – выполнение функций, перечисленных выше в параграфе "Функции операционных систем". Кроме этого очевидного требования существуют другие, часто не менее важные [3]:

расширяемость – возможность приобретения системой новых функций в процессе эволюции; часто реализуется за счет добавления новых модулей;
переносимость – возможность переноса операционной системы на другую аппаратную платформу с минимальными изменениями;
совместимость – способность совместной работы; может иметь место совместимость новой версии операционной системы с приложениями, написанными для старой версии, или совместимость разных операционных систем в том смысле, что приложения для одной из этих систем можно запускать на другой и наоборот;
надежность – вероятность безотказной работы системы;
производительность – способность обеспечивать приемлемые время решения задач и время реакции системы.

Резюме

В этой лекции приведено определение операционной системы, представлены виды программного обеспечения, рассмотрены функции и структура операционной системы. Особое внимание уделено понятию "ядра". Также приведены различные способы классификации операционных систем и требования, предъявляемые к современным операционным системам.

В следующей лекции будет представлен обзор операционных систем Microsoft Windows.

Читайте также: