Conceptul de sistem de operare; Funcţiile principale ale unui sistem de operare

Sistemul de operare reprezintă ansamblul de programe care asigură utilizarea optimă a resurselor fizice şi logice ale unui sistem de calcul. El are rolul de a gestiona funcţionarea componentelor hardware ale sistemului de calcul, de a coordona şi controla execuţia programelor şi de a permite comunicarea utilizatorului cu sistemul de calcul. Folosirea hardware-ului unui sistem de calcul ar fi dificilă şi ineficientă în lipsa unui sistem de operare. Pe scurt, sistemul de operare este componenta software care coordonează şi supraveghează întreaga activitate a sistemului de calcul şi asigură comunicarea utilizatorului cu sistemul de calcul.

Din punctul de vedere al interacţiunii cu componentele hardware ale sistemului de calcul şi după modul de implementare a software-ului, sistemul de operare este organizat pe două niveluri:

• nivelul fizic include componenta firmware a sistemului de calcul; acest nivel oferă servicii privind lucrul cu componentele hardware ale sistemului de calcul şi cuprinde acele elemente care depind de structura hardware a sistemului. Tot în nivelul fizic sunt incluse programe a căror execuţie este indispensabilă, de exemplu programul care lansează încărcarea automată a sistemului de operare, la pornirea calculatorului.

La acest nivel, comunicarea cu sistemul de calcul se realizează prin intermediul sistemului de întreruperi, prin care se semnalează anumite evenimente apărute în sistem; la apariţia unei întreruperi, controlul este dat unor rutine de pe nivelul următor al sistemului de operare;

Exemplu: la sistemele de calcul compatibile PC, componenta sistemului de operare de pe nivelul fizic este componenta ROM-BIOS.

Aceasta include programe grupate după funcţia lor în :

• programele care se execută la pornirea sistemului de calcul: programul POST (Power-On Self-Test), care verifică starea de funcţionare a sistemului de calcul şi programele de iniţializare a activităţii sistemului (rutina de încărcare a primului sector al discului sistem) ;

• rutinele care fac posibilă utilizarea componentelor fizice ale sistemului de calcul, rutine numite drivere fizice; ele oferă servicii pentru lucrul cu configuraţia hardware standard a sistemului de calcul : consola, tastatura, imprimanta, perifericele standard şi ceasul sistemului. Avantajul acestei soluţii este că asigură independenţa software-ului de pe nivelul logic faţă de caracteristicile constructive ale componentelor hardware de bază, ele fiind tratate unitar, prin intermediul driverelor.

• nivelul logic include partea de programe a sistemului de operare şi oferă utilizatorului mijloacele prin care poate exploata sistemul de calcul; comunicarea utilizatorului cu sistemul de calcul se realizează prin comenzi adresate sistemului de operare sau prin intermediul instrucţiunilor programelor pe care le execută invers, comunicarea se realizează prin intermediul mesajelor transmise de sistemul de operare către utilizator.

Programele nivelului logic adresează dispozitivele hardware prin intermediul programelor nivelului fizic al sistemului de operare şi din acest motiv ele sunt independente de structura hardware a sistemului de calcul: nivelul fizic constituie o interfaţă între hardware şi nivelul logic al sistemului de operare.

Din punct de vedere funcţional, programele sistemului de operare se împart în două categorii :

• Componenta de comandă şi control, care cuprinde programe ce au rolul de a asigura utilizarea eficientă a resurselor sistemului de calcul.

• Componenta de servicii, care cuprinde programe destinate minimizării efortului uman implicat de utilizarea sistemului de calcul.

Obiectivele generale ale unui sistem de operare sunt:

• automatizarea operaţiilor standard în toate etapele de exploatare a sistemului de calcul;

• minimizarea efortului uman pentru utilizarea sistemului de calcul;

• optimizarea utilizării resurselor sistemului de calcul;

• creşterea eficienţei globale în utilizarea sistemului de calcul prin:

  • creşterea vitezei de execuţie a prelucrărilor

  • reducerea timpului de răspuns al sistemului la solicitările utilizatorilor

  • creşterea gradului de utilizare a resurselor prin utilizarea lor la capacitate maximă.

Funcţiile prin intermediul cărora sistemul de operare realizează aceste obiective sunt:

1. funcţia de instalare automată a unui nou sistem de operare pe un sistem de calcul;

2. funcţia de încărcare în memoria internă a sistemului de operare, la pornirea sistemului de calcul;

3. funcţia de configurare dinamică a sistemului de operare, conform cu modificările intervenite în structura hardware sau cu necesităţile de exploatare a sistemului. De exemplu, sistemul de operare DOS se poate configura dinamic prin intermediul fişierului CONFIG.SYS care se consultă la fiecare încărcare a sistemului de operare şi care permite instalarea altor drivere de echipamente decât cele standard şi definirea unor parametri de funcţionare ai sistemului, permiţând astfel modificarea, extinderea sau îmbunătăţirea capacităţilor de funcţionare ale sistemului de operare, în cadrul arhitecturii de bază a sistemului de calcul;

4. efectuarea operaţiilor de intrare / ieşire la nivel fizic, pentru a permite utilizatorului tratarea echipamentelor periferice la nivel logic, adică independent de caracteristicile constructive ale lor. Această funcţie permite degrevarea utilizatorului de sarcina tratării specifice a fiecărui tip de echipament periferic în parte. De exemplu, orice tip de imprimantă este tratat în acelaşi mod de către utilizator; caracteristicile specifice fiecărui tip în parte sunt tratate de programul specializat de accesare la nivel fizic al echipamentului, numit driver de imprimantă şi de componenta sistemului de operare care tratează operaţiile de ieşire prin intermediul imprimantei: driverul portului paralel ;

5. oferirea unei interfeţe cu utilizatorul, prin intermediul unui limbaj specific, numit limbajul de comandă al sistemului de operare; prin intermediul acestui limbaj, utilizatorul transmite comenzi sistemului de operare; ele sunt traduse şi lansate în execuţie de programul interpretor de comenzi al sistemului de operare. în sistemele de operare mai noi, interfaţa cu utilizatorul este asigurată folosind metode grafice evoluate şi principii noi de comunicare, rezultatul fiind o modalitate mult mai prietenoasă de dialog cu utilizatorul; o astfel de interfaţă se numeşte interfaţă grafică cu utilizatorul (Graphical User Interface);

6. controlul execuţiei programelor: sistemul de operare încarcă programul în memoria internă, pentru execuţie, îl lansează în execuţie, urmăreşte execuţia în toate etapele sale şi încheie execuţia programului;

7. gestionarea alocării resurselor sistemului de calcul: sistemul de operare gestionează alocarea timpului UCP, a memoriei interne, accesul la fişiere, accesul la echipamentele periferice, etc. pe toată durata execuţiei unui program, în scopul utilizării cât mai eficiente a acestor resurse. În cazul în care este posibilă executarea simultană a mai multor programe, sistemul de operare realizează alocarea resurselor între programe pe baza unor criterii de alocare, în scopul optimizării execuţiei programelor, conform obiectivelor de eficienţă de mai sus;

8. asigurarea protecţiei între utilizatori, acolo unde sistemul de operare permite accesul concomitent al mai multor utilizatori (programe) la resursele sistemului de calcul, şi asigurarea protecţiei între programe, fie că este vorba de programe utilizator sau programe ale sistemului de operare. Această protecţie se referă la evitarea cazurilor de interferenţă între mai multe programe în execuţie, care ar putea duce la alterarea zonelor de program din memoria internă sau la alterarea, de către un program, a datelor utilizate de un alt program;

9. tratarea erorilor: sistemul de operare poate trata erori la nivelul maşinii fizice (de exemplu: erori de citire / scriere în memoria externă, erori de acces la un echipament periferic, lipsa din configuraţia sistemului de calcul a unui echipament, etc.) sau erori logice, care pot să apară în timpul executării unui program (de exemplu: operaţii interzise, ca împărţirea la 0, tentativa de acces în zone protejate ale memoriei interne, tentativa de execuţie a unor instrucţiuni privilegiate, etc.);

10. funcţii auxiliare, cum ar fi: contabilizarea activităţii sistemului de calcul, jurnalizarea comenzilor adresate interpretorului de comenzi al sistemului de operare, jurnalizarea erorilor, etc.