Операционные системы и среды

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2021

ОПЕРАЦИОННЫЕ 
СИСТЕМЫ 
И СРЕДЫ

А.В. Рудаков

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Рекомендовано для учебных заведений, 
реализующих основную профессиональную  образовательную 
программу среднего профессионального образования 
на базе основного общего образования по специальностям 
2.09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы», 
2.09.02.05 «Прикладная информатика (по отраслям)»

УДК 004.75(075.8)
ББК 32.973.2
 
Р83

Рудаков А.В.
Операционные системы и среды : учебник // Рудаков А.В. — Москва: 

КУРС: ИНФРА-М, 2021. — 304 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-906923-85-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-013639-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106301-9 (ИНФРА-М, online)
В учебнике рассматривается история возникновения, современное со
стояние, архитектура, основные принципы организации и перспективы развития операционных систем. Также в учебнике содержится материал, посвященный сервисному программному обеспечению, работе по обслуживанию 
компьютера и действиям в нештатных ситуациях.

Учебник предназначен для студентов средних профессиональных 

учебных заведений, обучающихся по специальностям 2.09.02.01 (230113) 
«Компьютерные системы и комплексы», 2.09.02.05 (230701) «Прикладная 
информатика (по отраслям). Может быть полезен всем, кто интересуется 
операционными системами и вопросами, связанными с обслуживанием 
компьютеров.

УДК 004.75(075.8)
ББК 32.973.2

Р83

©  Рудаков А.В., 2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906923-85-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-013639-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106301-9 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Р е ц е н з е н т ы:
П.А. Шепелев — заместитель начальника отдела ОАО «Санкт-Петер
бургская судостроительная компания (СПСК)»;

Д.В. Охринский — начальник отделения ИМТ АО «Научно-произ
водственная фирма (НПФ) “Меридиан”»

Подписано в печать 26.10.2017.

Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.

Печать цифровая. Усл. печ. л. 19,0.

Тираж 20 экз.

ТК 678060-946815-261017

ООО Издательство «КУРС»

127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104. 

Тел.: (495) 203-57-83.

E-mail: kursizdat@gmail.com http://kursizdat.ru

Предисловие

Предложенный вашему вниманию учебник —  это первая попытка 
систематизировать накопленный автором опыт по преподаванию 
одноименной дисциплины в Петровском колледже города СанктПетербурга.
При отборе материала для учебника автор руководствовался Государственными образовательными стандартами среднего профессионального образования по специальностям 09.02.01 (230113) «Компьютерные системы и комплексы», 09.02.05 (230701) «Прикладная 
информатика (по отраслям)», 09.02.02 (230111) «Компьютерные 
сети», 09.02.03 (230115) «Программирование в компьютерных системах», 09.02.04 (230401) «Информационные системы (по отраслям)», 
а также личным опытом по работе с различными программными 
продуктами и операционными системами.
Основная цель учебника —  постараться заполнить пробел, имеющийся в отечественной учебной литературе по данной дисциплине, 
особенно после выхода новых стандартов для средних профессиональных заведений.
Книга состоит из восьми глав. В главе 1 дано описание процесса 
эволюции операционных систем. Рассмотрена их классификация 
и особенности развития операционных систем на современном этапе.
Глава 2 посвящена рассмотрению назначения и основных 
функций, реализуемых операционными системами. Материал изложен в применении к операционным системам автономных компьютеров и сетевым операционным системам.
В главе 3 рассмотрены вопросы, связанные с архитектурой современных операционных систем. Даны сравнительные характеристики 
разных способов организации архитектур операционных систем 
и рассмотрены вопросы переносимости операционных систем и совместимости программного обеспечения.
Глава 4 посвящена вопросам организации и планирования выполнения процессов и потоков в современных операционных системах, 
в том числе организации мультипрограммирования и синхронизации 
выполняемых процессов и потоков.
Глава 5 посвящена вопросам управления памятью. Рассмотрены 
основные функции операционной системы по управлению памятью, 
различные типы адресов, возможные алгоритмы распределения памяти и ее организация.

В главе 6 рассмотрены вопросы, связанные с организацией подсистемы ввода-вывода и файловой системы компьютера. Рассмотрена многослойная модель подсистемы ввода-вывода и различные, 
наиболее распространенные файловые системы, такие как FAT, 
NTFS, ufs.
Глава 7 посвящена дисковой операционной системе MS DOS. 
Рассмотрена ее организация, последовательность ее загрузки, способы перезапуска и основные команды. Также рассмотрены назначения и правила написания командных и конфигурационных файлов, программная модель микропроцессора и системные функции 
MS DOS.
В главе 8 рассмотрены вопросы, связанные с назначением, описанием, классификацией и правилами работы с сервисными программными средствами..
Все главы, кроме главы 8, сопровождены вопросами для контроля 
знаний.

введение

Несмотря на то что на данный момент существует большое число 
различных операционных систем, между ними очень много общего, 
а различия не так уж существенны. В основу каждой из них положены определенные концепции и принципы построения, и наиболее 
удачные встречаются в подавляющем числе операционных систем, 
мигрируя из одной системы в другую. В результате в большинстве 
операционных систем используются одни и те же принципы управления ресурсами компьютера, алгоритмы управления памятью, способы планирования и организации выполнения процессов и потоков 
и т. д. Это позволяет при изучении операционных систем использовать подход «от общего к частному», отделяя при этом детали реализации от основополагающих идей.
В связи с этим в данном учебнике операционные системы рассматриваются с самых общих позиций, а описываемые концепции 
и принципы построения и организации операционных систем справедливы для большинства операционных систем.
Целью данного учебника является знакомство читателей с основами операционных систем, сервисным программным обеспечением, необходимыми профилактическими работами по обслуживанию компьютера и оказанием посильной помощи при возникновении нештатных ситуаций во время работы за компьютером.

Глава 1

Эволюция оПерационных систем 
и их классификация

1.1. системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение (System Software) включает 
в себя программы и комплексы программ, являющиеся общими для 
пользователей, кто совместно использует технические средства компьютера, и применяемые как для автоматизации разработки (создания) новых программ, так и для организации процесса выполнения 
существующих программ.
Системное программное обеспечение может быть разделено 
на следующие пять основных групп:
1) операционные системы (ОС);
2) системы управления файлами;
3) интерфейсные оболочки;
4) системы программирования;
5) утилиты.
Рассмотрим вкратце назначение каждой группы системных программ.
Операционные системы. Под операционной системой обычно понимают комплекс взаимосвязанных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, организуют интерфейс 
между аппаратурой компьютера и пользователем и запущенными 
приложениями, а с другой стороны —  предназначены для организации наиболее эффективного использования ресурсов компьютера 
и организации выполнения программ. На рис. 1.1 изображена обобщенная структура программного обеспечения компьютера. 
Из рисунка видно, что ни один из компонентов программного 
обеспечения, за исключением самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера, а следовательно, любой 
из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС. Пользователи также взаимодействуют со своими программами и компьютером через интерфейс ОС.

Системы управления файлами. Назначение системы управления 
файлами —  организация более удобного доступа к данным, организованным в виде файлов. Благодаря системе управления файлами 
вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных 
физических адресов нужной нам записи на физическом носителе 
используется логический доступ с указанием полного пути и имени 
файла. Подавляющее большинство современных ОС имеют системы 
управления файлами, а ряд ОС позволяет работать с несколькими 
системами управления файлами (либо с одной из нескольких, либо 
сразу с несколькими одновременно), что позволяет выделить этот 
вид системного программного обеспечения в отдельную группу. 
В этом случае говорят о монтируемых системах управления файлами 
(дополнительную систему управления файлами можно установить), 
и в этом смысле они самостоятельны. Кроме того, можно назвать 
примеры простейших ОС, которые вообще могут работать и без 
систем управления файлами либо могут работать с одной из выбранных систем. Однако любая система управления файлами не существует сама по себе —  она разработана для работы в конкретной ОС 
и с конкретной файловой системой. Другими словами, для работы 
с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой 
системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствующая 

Пакеты прикладных программ

Прикладные задачи пользователя

Системы программирования

Аппаратура
компьютера

Отладчики

Редакторы

Трансляторы

Компоновщики

Библиотеки

Система
управления
файлами

Утилиты

Операционная система

Рис. 1.1. Обобщенная структура программного обеспечения компьютера

система управления файлами; и эта система управления файлами 
будет работать только в той ОС, для которой она создана.
Интерфейсные оболочки. Для удобства взаимодействия с ОС могут 
использоваться дополнительные интерфейсные оболочки. Их основное назначение —  расширение или изменение возможностей 
по управлению ОС. В качестве примера интерфейсных оболочек 
можно указать разнообразные варианты интерфейсов для семейства 
ОС Windows компании «Microsoft», которые заменяют Explorer и могут напоминать либо UNIX с его графическим интерфейсом, либо 
OS/2, либо MAC OS.
Системы программирования. Системы программирования предназначены для разработки различного программного обеспечения, 
в том числе и системного.
Не бывает самостоятельных (оторванных от ОС) систем программирования. Любая система программирования может работать 
только с ОС, под которую она и создана, однако при этом она может 
позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.
Утилиты. Утилиты —  это специальные системные программы, 
с помощью которых можно как обслуживать саму операционную 
систему, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить некоторые другие работы, 
связанные с обслуживанием компьютера. Например, к утилитам 
относится комплекс программ от фирмы «Symantec», носящий имя 
Питера Нортона (создателя этой фирмы и соавтора популярного набора утилит для первых IBM PC). Утилиты могут работать только 
в соответствующей операционной среде, под которую они разрабатывались.

1.2. Появление первых операционных систем

Эволюция системного программного обеспечения и операционных систем, в частности, напрямую связана с эволюцией аппаратных 
средств вычислительной техники, а именно с появлением новой элементной базы, на которой строилось каждое новое поколение компьютеров.
В середине 1940-х гг. были созданы первые ламповые вычислительные устройства. Для этих устройств характерно то, что одна 
и та же группа людей участвовала и в их проектировании, и в дальнейшей их эксплуатации, и в программировании. Это была скорее 
научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, 

а не использование компьютеров в качестве инструмента решения 
каких-либо практических задач из других прикладных областей. 
Программирование осуществлялось исключительно в машинных кодах (кодах операций, выполняемых определенным компьютером). 
Не было никакого системного программного обеспечения, кроме 
библиотек математических и служебных подпрограмм, которые программист мог использовать для того, чтобы не писать каждый раз 
коды, вычисляющие значение какой-либо математической функции 
или управляющие стандартным устройством ввода-вывода. Операционных систем еще не было, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную с пульта управления. Компьютеры 
выпускались единичными опытными экземплярами и были крайне 
громоздкими и ненадежными.
С середины 1950-х гг., с появлением новой элементной базы — 
полупроводниковых приборов, начался новый период в развитии 
вычислительной техники. Это позволило повысить быстродействие 
процессоров, увеличить объемы оперативной и внешней памяти. 
Компьютеры стали более надежными, время их непрерывной работы 
существенно увеличилось, что дало возможность возложить на них 
выполнение практически важных задач. Компьютеры стали выпускаться малыми сериями.
Наряду с совершенствованием аппаратуры, появились успехи 
в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. Появились первые алгоритмические языки, и к существующим библиотекам математических и служебных подпрограмм добавился новый тип системного программного обеспечения — 
трансляторы, которые предназначались для перевода программ, 
написанных на алгоритмическом языке (языке высокого уровня), 
в машинные коды, понятные компьютеру.
Выполнение каждой программы стало включать большое количество вспомогательных работ: набивку текста программы; загрузку 
нужного транслятора (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ и т. п.); запуск 
транслятора и получение результирующей программы в машинных 
кодах; связывание программы с библиотечными подпрограммами 
и другими, если это необходимо, оттранслированными частями программы (компоновка); загрузку программы в оперативную память; 
запуск программы и вывод полученных результатов на периферийное 
устройство. Для организации эффективной работы компьютеров и их 
эффективного использования произошло разделение труда между 
сотрудниками вычислительного центра: кто-то писал программы; 
кто-то занимался вопросами, связанными с обслуживанием вычис

лительной техники и ее эксплуатацией, а организацией вычислительного процесса занимался специальный сотрудник —  оператор ЭВМ.
Но как бы быстро и надежно ни работали операторы, они никак 
не могли состязаться в производительности с работой устройств компьютера. Большую часть времени процессор простаивал в ожидании, 
пока оператор запустит очередную задачу. А поскольку процессор 
представлял собой весьма дорогое устройство, то низкая эффективность его использования означала низкую эффективность использования компьютера в целом. Для решения этой проблемы были 
разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса.
Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его 
участия последовательно запускались на выполнение управляющей 
программой —  монитором. Кроме того, монитор был способен самостоятельно обрабатывать наиболее часто встречающиеся при работе пользовательских программ аварийные ситуации, такие как 
отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление 
на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т. д.
Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.
Системы пакетной обработки значительно сократили затраты 
времени на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса, и тем самым была повышена эффективность использования компьютера в целом. Однако при этом программисты-пользователи лишились непосредственного доступа к компьютеру, что 
снижало эффективность их работы, —  внесение любого исправления 
требовало значительно больше времени, чем при интерактивной работе за пультом управления компьютера.

1.3. Появление первых мультипрограммных 
операционных систем

В период с 1965 по 1975 г. в технической базе вычислительных машин произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению 
следующего поколения компьютеров.
Для этого периода характерно создание семейств программносовместимых вычислительных машин. Первым семейством про