Операционная система: программа, которая управляет программами

Операционная система — это программа, которая запускается первой и управляет всеми остальными. Она решает, какая программа сейчас получит процессор, раздаёт программам память, работает с устройствами, хранит файлы и следит, чтобы никто не взял чужого. Windows, Android и iOS — операционные системы.

Зачем программам посредник

Представьте игру на компьютере без операционной системы. Ей пришлось бы самой уметь разговаривать с каждой моделью клавиатуры, видеокарты и накопителя. А если одновременно включить музыку, две программы начали бы спорить за процессор, память и динамики.

В школе похожую задачу решает завуч. Учителя не делят кабинеты между собой: есть расписание, по которому каждый класс получает кабинет на свой урок. Операционная система — такой же распорядитель. Общую работу собрали в одной программе, а остальные программы обращаются к ней с просьбами.

Пять дел операционной системы

Делит процессорное время

Запущенную программу называют процессом. На компьютере одновременно работают сотни процессов: вкладки браузера, мессенджер, музыка, служебные программы. Ядер в процессоре всего несколько, и каждое в любой момент выполняет только одну программу.

Выручает скорость. Операционная система даёт процессу поработать короткий отрезок — квант времени: единицы или десятки миллисекунд. Затем срабатывает прерывание от таймера, знакомое по уроку Ввод и вывод. Операционная система запоминает, на чём остановился процесс, и отдаёт процессор следующему. При кванте 10 мс программы сменяются 100 раз в секунду, и человеку кажется, что все они работают сразу. Это называют многозадачностью.

Вы сами делаете так же, когда переписываетесь в пяти чатах: ответили в одном, перешли в другой. Каждому собеседнику кажется, что Вы всё время с ним.

На самом деле очередь устроена хитрее. Программа, которая ждёт нажатия клавиши, процессор не занимает совсем: её разбудит прерывание. Поэтому сотни процессов не мешают друг другу — большинство из них спит.

Раздаёт память и защищает программы друг от друга

Каждому процессу операционная система выделяет свои участки оперативной памяти. Если программа попробует прочитать или изменить чужой участок, её остановят. Возможно, Вы это видели: игра внезапно закрывается с сообщением об ошибке, а браузер и недописанное сочинение в соседнем окне целы.

Защита нужна не только от ошибок. Она не даёт вредной программе заглянуть в память браузера, где лежит Ваш пароль.

Работает с устройствами через драйверы

Драйвер — программа, которая знает, как управлять одним конкретным устройством: вот этой моделью принтера или видеокарты. Программам такие подробности не нужны. Текстовый редактор просит операционную систему напечатать страницу, а драйвер переводит просьбу в команды, понятные принтеру. Поэтому новая мышь работает в игре, которую написали задолго до её выпуска.

Хранит файлы

Программа просит открыть файл по имени, а операционная система находит на накопителе нужные байты. Как она это делает — тема следующего урока.

Разграничивает пользователей

У каждого пользователя есть учётная запись со своими файлами и правами. В школьном компьютерном классе ученик не может удалить чужие работы или установить программу, а администратор может. В телефоне права есть и у программ: приложение спрашивает разрешение на камеру и микрофон, а следит за соблюдением запрета операционная система.

Ядро и прикладные программы

Главная часть операционной системы — ядро. Только оно работает в особом режиме процессора, в котором разрешены любые команды: управлять устройствами, раздавать память, переключать процессы.

Все остальные программы называют прикладными: это браузеры, игры, редакторы. Им процессор разрешает не всё. Чтобы сохранить документ, редактор не командует накопителем сам, а обращается к ядру с просьбой: «запиши эти байты в такой-то файл». Такую просьбу называют системным вызовом.

Операционная система — не одно лишь ядро. Вместе с ним поставляются служебные программы: рабочий стол, окно с папками, настройки.

Что происходит при включении

Пока компьютер выключен, оперативная память пуста, а операционная система лежит на накопителе. Процессор умеет выполнять только те команды, которые находятся в памяти. Кто-то должен перенести туда операционную систему. Это делают в три ступени.

1. Начальная программа. На материнской плате есть микросхема постоянной памяти: её содержимое сохраняется без питания. В ней записана небольшая программа, с которой процессор начинает работу. Она проверяет оборудование и находит накопитель с операционной системой.
2. Загрузчик. Начальная программа читает с накопителя загрузчик. Его задача — найти ядро, скопировать его в оперативную память и передать ему управление.
3. Ядро. Оно настраивает память, запускает драйверы и служебные программы. Когда всё готово, появляется экран входа.

На разных компьютерах подробности отличаются, но порядок один: маленькая программа запускает программу побольше. Весь этот путь и называют загрузкой.

Какие бывают операционные системы

Ядро Linux в 1991 году начал писать финский студент Линус Торвальдс. Его исходный текст открыт, и любой может изучить его или изменить. На ядре Linux построен и Android, так что оно работает в большинстве смартфонов мира.

Выглядят эти системы по-разному, но заняты одним и тем же: пятью делами из этого урока.

Частые вопросы

Рабочий стол и окна — это и есть операционная система?

Это её видимая часть. Главная работа — переключение процессов, раздача памяти, разговор с устройствами — идёт в ядре и на экране не видна.

Почему зависшую программу можно закрыть?

Потому что она не владеет процессором. Прерывание от таймера всё равно возвращает управление операционной системе, и та может остановить зависший процесс по Вашей команде.

Бывают ли компьютеры без операционной системы?

Да. В чайнике с дисплеем или в пульте от телевизора работает крошечный компьютер с одной-единственной программой. Делить процессор и память ей не с кем, поэтому распорядитель не нужен.

Коротко

• Операционная система — программа, которая управляет остальными программами и оборудованием.
• Многозадачность: процессы получают процессор по очереди короткими квантами, а переключает их прерывание от таймера.
• У каждого процесса своя память; попытка залезть в чужую заканчивается остановкой программы.
• Драйвер объясняет операционной системе, как управлять конкретным устройством.
• Ядро работает в особом режиме процессора; прикладные программы обращаются к нему системными вызовами.
• При включении начальная программа из постоянной памяти запускает загрузчик, а загрузчик — ядро.

Одно из пяти дел мы пока едва затронули — хранение данных на накопителе. О нём — урок Файлы и файловые системы.