Операционные системы

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. М. Зверева

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета для студентов вуза,
обучающихся по направлениям подготовки:
09.03.01 — Информатика и вычислительная техника;
09.03.04 — Программная инженерия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 004.451(075.8)
ББК 32.973-018.2я73
           З-43
Рецензенты:
ученый совет института инженерно-педагогического образования РГППУ 
(директор Е. В. Чубаркова);
д-р техн. наук, проф. В. Г. Лабунец (Урал. гос. лесотехн. ун-т)

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. Л. Г. Доросинский

 
Зверева, О. М.
З-43    Операционные системы : учебное пособие / О. М. Зверева ; Мин-во на-
уки и высш. образ. РФ. — Екатеринбург : Изд-во урал. ун-та, 2020. — 220 с.

ISBN 978-5-7996-3146-8

Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров. Основ-
ной целью пособия является развитие компетенций студентов в области 
общих принципов построения и функционирования операционных си-
стем — того класса программного обеспечения, без которого компьютер 
неработоспособен. Материал снабжен примерами из современных версий 
систем, которые призваны подтвердить действенность теоретических по-
ложений. В конце каждой главы есть перечень контрольных вопросов для 
проверки степени усвоения прочитанного.

Библиогр.: 54 назв. Табл. 5. Рис. 70.
УДК 004.451(075.8)
ББК 32.973-018.2я73

ISBN 978-5-7996-3146-8 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020

— 3 —



Оглавление

Предисловие ......................................................................................... 7

1. Понятие операционной системы. Появление, развитие 
     и особенности современного состояния ОС ...................................... 8
Определение понятия «операционная система» ............................ 8
История появления операционных систем ..................................10
Первое поколение ЭВМ. Отсутствие операционных систем ..10
Второе поколение ЭВМ. Появление первых 
операционных систем ...............................................................11
Третье поколение ЭВМ: мультипрограммирование 
и другие передовые концепции ................................................13
Четвертое поколение ЭВМ. Сетевые операционные 
системы .....................................................................................17
Развитие операционных систем в 1980-е гг. ............................18
Современный этап развития операционных систем ....................20
Семейство Windows ...................................................................22
ОС, построенные на принципах UNIX ....................................24
Операционная система Linux ........................................................26
Версии Red Hat Enterprise Linux ...............................................27
Версии Debian ...........................................................................28
Версии Ubuntu ...........................................................................29
FreeBSD .....................................................................................30
Mac OS .......................................................................................32
Контрольные вопросы ...................................................................33

2. Требования к современным операционным системам. 
     Функциональные компоненты операционной системы 
     автономного компьютера .................................................................35
Требования к современным операционным системам ................35
Классификация операционных систем .........................................36
Функциональные компоненты операционной системы  
автономного компьютера ..............................................................38
Контрольные вопросы ...................................................................40

— 4 —

Оглавление

3. Подсистема управления процессами ................................................41
Понятие «процесс» и «поток» ........................................................43
Создание процессов и потоков в ОС Windows .........................44
Планирование и диспетчеризация потоков ..................................45
Состояния потока ..........................................................................47
Алгоритмы планирования .............................................................48
Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах .............50
Система приоритетов в ОС Windows ........................................51
Контрольные вопросы ...................................................................54

4. Управления процессами в операционной системе Linux...................55
Типы процессов .............................................................................56
Жизненный цикл процесса............................................................57
Состояния процессов в системе ...............................................59
Управление процессами ................................................................60
Инструменты работы с процессами .........................................62
Контрольные вопросы ...................................................................65

5. Подсистема управления основной памятью .....................................66
Иерархия запоминающих устройств .............................................66
Функции ОС по управлению основной памятью .........................67
Стратегии управления памятью ....................................................68
Типы адресов .............................................................................69
Алгоритмы распределения памяти ................................................70
Свопинг и виртуальная память ......................................................72
Страничное распределение ......................................................76
Стратегии управления страничной виртуальной памятью .....80
Определение размера страницы ...............................................81
Контрольные вопросы ...................................................................82

6. Подсистема управления внешними устройствами 
     (подсистема ввода-вывода) .............................................................83
Дисковая подсистема ОС. Понятие «геометрии диска» ...............83
Понятие раздела. Схема разделов, основанная на MBR ..............86
BIOS и UEFI ..............................................................................88
Особенности работы с дисками и разделами в разных 
операционных системах ...........................................................92
Контрольные вопросы ...................................................................94

7. Файловые системы ..........................................................................95
Типы файлов ..................................................................................97

— 5 —



Иерархическая структура файловой системы ...............................98
Имена файлов ...........................................................................99
Жесткие и символические ссылки ..............................................101
Монтирование файловых систем ................................................103
Атрибуты файлов ....................................................................105
Физическая организация и адресация файла .............................107
Современные файловые системы ................................................109
Примеры файловых систем .........................................................114
Организация ФС FAT .............................................................114
Файловая система NTFS .........................................................118
Контрольные вопросы .................................................................125

8. Отказоустойчивость дисковых систем и восстанавливаемость 
     файловых систем ...........................................................................126
Восстанавливаемость файловых систем......................................127
Восстанавливаемость NTFS ........................................................129
Избыточные дисковые массивы RAID .......................................131
Уровень RAID-0 ......................................................................133
Уровень RAID-1 ......................................................................135
Уровни RAID-2, RAID-3, RAID-4 .........................................137
Уровень RAID-5 ......................................................................138
Другие уровни RAID ...............................................................140
Контрольные вопросы .................................................................141

9. Кэширование данных .....................................................................142
Кэширование данных ..................................................................142
Схема кэширования .....................................................................143
Проблема согласования данных при кэшировании ...................146
Схемы выполнения запросов в системах с кэш-памятью ..........147
Контрольные вопросы .................................................................149

10. Архитектура операционной системы: основные концепции .........150
Архитектура операционной системы .........................................150
Ядро и вспомогательные модули ОС .........................................151
Отличительные свойства ядра ..............................................151
Иерархический (многослойный) подход при построении 
ядра ..............................................................................................157
Микроядерная архитектура ........................................................162
Достоинства и недостатки использования микроядерной 
архитектуры ...........................................................................164
Поколения микроядер ..........................................................167

— 6 —

Оглавление

Архитектура Windows NT ...........................................................167
Исполнительная подсистема ................................................169
Контрольные вопросы ................................................................171

11. Подсистема безопасности ............................................................172
Основные понятия и определения .............................................173
Классификация угроз .................................................................175
Классификация атак ...................................................................177
Основные типы атак на операционную систему .......................177
Системный подход к обеспечению безопасности .....................181
Политика безопасности. Основные принципы ........................183
Основные функции подсистемы безопасности ОС ..................185
Идентификация, аутентификация и авторизация ...............186
Криптографические функции ..............................................187
Аудит ......................................................................................187
Управление политикой безопасности ..................................189
Разграничение доступа к объектам операционной системы ....190
Понятие объекта, субъекта и метода доступа ......................190
Классификация уровней защиты ОС ........................................197
Контрольные вопросы ................................................................200

12. Вредоносное программное обеспечение .......................................201
Законодательные меры против киберпреступлений .................202
Основные типы вредоносного ПО .............................................203
Вирусы ...................................................................................205
Черви .....................................................................................206
Троянские программы ..........................................................207
Разновидности троянских программ (по Касперскому) .....208
Пример троянской программы (KeyPass) ............................209
Эксплойты .............................................................................210
Признаки наличия вредоносного ПО на компьютере ..............211
Правила, которых следует придерживаться,  
для снижения риска заражения ..................................................212
Контрольные вопросы ................................................................213

Библиографический список .........................................................214

— 7 —



Предисловие

В 

данной книге представлен теоретический материал по основам 
построения и функционирования операционных систем — 
того класса программного обеспечения, благодаря которому 
то, что называют «железом», становится не просто набором железных 
и пластмассовых компонентов, а устройством, способным решать 
сложнейшие задачи. Основная цель издания не научить читателей 
устанавливать различные переключатели и кнопки, находя их 
в определенных окнах, а научиться понимать, как функционирует компьютер, 
почему и зачем нужно устанавливать те или иные параметры, 
чтобы компьютер работал и работал эффективно.
Автор проиллюстрировала теоретический материал примерами 
из современных версий операционных систем настольных компьютеров (
Windows 10 и Ubuntu (Linux)) для подтверждения того, что большинство 
описанных концепций не просто теоретические построения, 
а реальные основы технологий и алгоритмов, реализованных в работающих 
системах.
Материал построен следующим образом: сначала вводная часть, 
описывающая историю развития операционных систем и описание 
состояния дел на рынке этого ПО, далее следуют главы, посвященные 
основным подсистемам, существующим в любой операционной системе. 
В конце каждой главы есть контрольные вопросы для тестирования 
степени понимая и усвоения прочитанного материала.

— 8 —



1. Понятие операционной системы.  
Появление, развитие и особенности  
современного состояния ОС

Определение понятия «операционная система»
В

се многообразное ПО, установленное на персональном компьютере, 
можно отнести к одному из 3-х классов:
1) системное ПО — характеризуется тем, что без него ПК 
неработоспособен. Его в свою очередь можно условно разделить 
на 3 подкласса:
• операционные системы;
• отдельные системные программы, не входящие в состав ОС, — 

программы работы с диском, архиваторы, антивирусные программы 
и т. д.;
• системное ПО для организации работы прикладного ПО, написанного 
на языке высокого уровня, — компиляторы, интерпретаторы, 
загрузчики, редакторы связей, системные библиотеки 
и т. д.;
2) прикладное ПО — характеризуется тем, что крайне разнообразно, 
сложно найти для него единую классификацию [1, 2];
3) инструментальное ПО — характеризуется тем, что предоставляет 
инструментарий для создания других двух классов.
Определив место ОС в составе всего ПО, дадим определение этого 
понятия, базируясь на понимании того, какие основные функции 
должна выполнять ОС. ОС является центральной составляющей системного 
ПО, основная задача которого — обеспечить работоспособность 
компьютера. Следует также учесть, что персональный компьютер 
подразумевает взаимодействие с пользователем, т. е. ОС должна выполнять 
интерфейсную функцию между аппаратурой компьютера, с одной 
стороны, и пользователем, т. е. его приложениями — с другой (рис. 1.1).

— 9 —

Определениепонятия«операционнаясистема»

Приложение 1

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Приложение 2
Приложение 3

АППАРАТУРА

Рис. 1.1. Место операционной системы в компьютерной системе

Опе рационная система — это программно-аппаратный комплекс, 
который выполняет 2 основные функции:
1) эффективное управление ресурсами компьютера;
2) создание удобного интерфейса между пользователем и компью-
тером.
Следует отметить, что ОС не просто комплекс взаимосвязанных 
программ, а программно-аппаратный комплекс, потому что в выпол-
нение части функций аппаратура вовлечена непосредственно, приме-
ром может служить система прерываний или аппаратная защита об-
ластей памяти.
Управление ресурсами состоит в решении следующих общих для 
всех типов ресурсов задач:
1) планировании ресурса — определение момента времени и объе-
ма выделяемого ресурса;
2) удовлетворении запросов на ресурсы — выделение ресурса в за-
планированном объеме и в запланированный момент времени;
3) отслеживании уровня и учете использования ресурса — поддер-
жание информации о ресурсе в оперативном состоянии;
4) разрешении конфликтов — разрешение конфликтов при попыт-
ке одновременного доступа к ресурсу.
Создание удобного интерфейса — интерфейсная функция — пред-
полагает, что вместо реальной аппаратуры компьютера, ОС представ-
ляет пользователю расширенную виртуальную машину, с которой 
удобнее работать и которой можно управлять определенным способом.
Операционная система образует ту программную среду, в которой 
выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда на-
зывается операционной; это следует понимать в том плане, что при за-
пуске программы она будет обращаться к операционной системе с со-

— 10 —

1.Понятиеоперационнойсистемы.Появление,развитиеиособенностисовременногосостоянияОС

ответствующими запросами на выполнение определенных действий, 
или функций [3].

История появления операционных систем

История любой отрасли науки или техники позволяет не просто 
удовлетворить любопытство, но и дает основания для более глубоко-
го понимания существующих тенденций, оценки перспективности тех 
или иных тенденций развития.
Исходя из того факта, что ОС — это та часть ПО, которая наибо-
лее тесно связана с аппаратной частью, можно утверждать, что исто-
рия ОС непосредственно связана с историей вычислительной техни-
ки вообще, и рассматривать историю ОС следует в контексте истории 
развития аппаратуры вычислительных систем.
В истории вычислительных машин (ВМ) обычно выделяют 4 (ино-
гда 5) поколений вычислительных машин. Деление на поколения про-
изводят на основе определения элементной базы этих машин: лампы, 
полупроводниковые элементы, интегральные схемы (ИС), большие 
и сверхбольшие ИС. К пятому поколению иногда относят мобиль-
ные устройства (несколько отходя тем самым от принятого деления).

Первое поколение ЭВМ. Отсутствие операционных систем

Настоящее рождение ЭВМ произошло вскоре после окончания Вто-
рой мировой войны, в середине 1940-х гг. были созданы первые лам-
повые вычислительные устройства. Профессор Д. Атанасов и его аспи-
рант Клиффорд создали в университете штата Айовы конструкцию, 
которая сейчас считается первым действующим цифровым компьюте-
ром. В ней использовалось 300 электронных ламп. Примерно в то же 
время Конрад Цузе в Берлине построил Z3 компьютер, основанный 
на использовании электромеханических реле.
Отличительные черты этого периода:
1) одна и та же группа людей участвовала в проектировании, эксплу-
атации и программировании вычислительной машины — не было 
разделения труда в этой области деятельности, была единая науч-
но-исследовательская работа в области вычислительной техники;

— 11 —

Историяпоявленияоперационныхсистем

2) ЭВМ не использовались в качестве инструмента решения каких-
либо практических задач из других прикладных областей;
3) программирование осуществлялось исключительно на машин-
ном языке;
4) операционные системы все еще не появились, все задачи орга-
низации вычислительного процесса решались вручную.

Второе поколение ЭВМ.  
Появление первых операционных систем

Шестидесятые годы ХХ в. ознаменовали новый этап в развитии 
вычислительных устройств, он был связан с появлением новой эле-
ментной базы — полупроводников. Появились устройства, названные 
мэйнфреймами, они занимали большие площади, требовали конди-
ционирования воздуха и наличия большого штата работников, в ос-
новном профессиональных операторов.
Отличительные черты данного периода:
1) ЭВМ стали более надежными, они могли непрерывно работать 
настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполне-
ние реально востребованных практических задач;
2) появились первые алгоритмические языки (языки высокого уров-
ня), такие как АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ. Выполнение каж-
дой программы стало состоять из нескольких этапов — поиска 
и запуска на выполнение нужного транслятора, подключения 
нужных библиотек, получения программы в машинных кодах, 
загрузки программы в основную память с нужных адресов, запу-
ска на выполнение программы, вывода результатов на внешнее 
устройство. Был дан значительный толчок развитию системно-
го программного обеспечения;
3) появилось разделение труда, потребовались профессионалы, об-
служивающие оборудование, и те, кто профессионально выпол-
нял работу по организации вычислительного процесса для всех 
пользователей вычислительного центра;
4) большую часть времени процессор простаивал в ожидании, пока 
оператор запустит очередную задачу — процессорное время ис-
пользовалось неэффективно;
5) были разработаны первые ОС — программы, которые занимались 
организацией вычислительного процесса.

— 12 —

1.Понятиеоперационнойсистемы.Появление,развитиеиособенностисовременногосостоянияОС

Существует несколько версий того, какую ОС считать первой. 
По одним источникам это ОС для ЭВМ IBM 701, созданная в компании 
General Motors Research Laboratories в начале 1950-х гг.; по другим — 
это ОС для ЭВМ MARK1, созданная в Университете Стэнфор-
да в то же время.
Первый тип реально существовавших в ЭВМ ОС — это системы 
пакетной обработки. Сущность таких систем заключалось в том, что 
несколько задач составлялись в пакет, что позволяло эффективнее использовать 
дорогое процессорное время. В ходе реализации систем пакетной 
обработки был разработан специальный язык управления заданиями, 
типовой набор директив которого включал признак начала 
или конца отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, 
признаки начала или конца исходных данных.
Оператор составлял специальный пакет из имевшихся заданий, 
этот пакет запускался далее под управлением специальной системной 
программы — монитора. Монитор мог без участия оператора обрабатывать 
ошибочные ситуации, которые возникали при работе пользовательских 
программ, такие как отсутствие или несоответствие форматов 
входных данных, деление на ноль, обращение по запрещенным 
или несуществующим адресам в памяти и т. д.
В качестве наиболее известных программ мониторов можно назвать 
монитор IBSYS, разработанный в 1960 г. для IBM 7090, и монитор для 
ЭВМ БЭСМ-4, датированный 1962 г.
Временная диаграмма вычислительного процесса до появления систем 
пакетной обработки представлена на рис. 1.2, а, где показано 
подготовительное время задачи (загрузка задачи в основную память, 
настройка адресов и т. д.) и заключительное время (выгрузка содержимого 
основной памяти после счета), необходимые для выполнения 
очередной задачи. Временная диаграмма в системе с ОС пакетной обработки 
показана на рис. 1.2, б. Хотя здесь также существует подготовительное 
и заключительное время, но они для всего пакета задач, 
и хорошо видно, что выполняется условие

 
P
P
i
i

i

M

i

N

+
>
+

=
=
е
е
З
З
П
П
1
1

. 
 (1.1)

Из выражения (1.1) очевидно следует, что подготовительное и заключительное 
время (а значит, и общее время) выполнения пакета задач 
в системах с пакетной ОС значительно меньше, чем сумма подго-

— 13 —

Историяпоявленияоперационныхсистем

товительных и заключительных времен выполнения задач в системе, 
где нет пакетов задач.
        а                                                                   б

t 

Задача 1 Задача 2 Задача 3

З1
П2
П3
З2
З3
П1

Пi, Зi – подготовительное и заключительное 
время i-й задачи  
Пп, Зп – подготовительное и заключительное 
время пакета задач 

t

Задача 1

Пп 

Задача 2

Задача 3

Зп 

Рис. 1.2. Временная диаграмма вычислительного процесса:

a — до ОС пакетной обработки; б — с ОС пакетной обработки

К достоинствам систем пакетной обработки можно отнести то, 
что они:
1) значительно сократили затраты времени на вспомогательные действия 
по организации вычислительного процесса;
2) позволяли эффективно использовать машинное время.
Недостатком систем пакетной обработки можно считать то, что 
пользователи лишились непосредственного доступа к ЭВМ, что не могло 
не сказаться на эффективности работы — внесение любого исправления 
требовало значительно больше времени, чем при интерактивной 
работе за пультом машины.

Третье поколение ЭВМ: 
мультипрограммирование и другие передовые концепции

Следующий важный период развития ОС относится к 1965–1975 гг. 
В этот период произошла смена элементной базы с полупроводниковых 
элементов на интегральные микросхемы, а это в свою очередь привело 
к смене поколения вычислительных устройств. Новые функциональ-
ные возможности интегральных микросхем обеспечили возможность 
создания сложных машинных архитектур, таких как IВМ/360.

— 14 —

1.Понятиеоперационнойсистемы.Появление,развитиеиособенностисовременногосостоянияОС

В этот период были реализованы практически все основные меха-
низмы, присущие современным ОС:
1) мультипрограммирование (многозадачность);
2) мультипроцессирование;
3) поддержка многотерминального многопользовательского ре-
жима;
4) виртуальная память;
5) файловые системы;
6) разграничение доступа и сетевая работа.
Реализацию мультипрограммирования можно считать одним 
из основных событий данного этапа. Вычислительные машины ста-
новятся достаточно мощными, могут решать практические задачи, 
поэтому неэффективно их использовать для обработки и хранения 
данных только одной программы в каждый момент времени. Решени-
ем этой задачи является мультипрограммирование. Мультипрограм-
мирование — это способ организации вычислительного процесса, при 
котором в памяти компьютера находится одновременно несколько 
программ, которые могут попеременно выполняться на одном про-
цессоре [4].
Мультипрограммирование было реализовано в 2-х версиях: в систе-
мах пакетной обработки и в системах разделения времени.
Основным критерием эффективности мультипрограммных систем 
пакетной обработки, как и для однопрограммных систем, являлась 
максимальная загрузка процессора, однако эта задача решалась более 
эффективно. В мультипрограммном режиме процессор не простаи-
вал, пока одна из задач не общалась с ним, например, выполняя опе-
рацию ввода-вывода (как это было при последовательном выполне-
нии задач в однопрограммных системах), а переключался на другую 
задачу, которая была готова к выполнению. В результате достигалась 
максимальная загрузка всех устройств и увеличивалось число задач, 
решаемых в единицу времени.
Однако, недостаток, присущий этим системам, — отсутствие возможности 
интерактивного взаимодействия с ЭВМ — преодолен не был. 
Этот недостаток был ликвидирован ОС другого типа — ОС разделения 
времени. Первоначально этот вариант был рассчитан на многотерминальные 
системы, когда каждый пользователь работает за своим 
терминалом. Мультипрограммирование в системах разделения времени 
создавало для каждого пользователя иллюзию единоличной ра-