Код
#статьи

Основы операционных систем: компоненты, виды и история развития

Коротко о главном помощнике в управлении компьютером и другими гаджетами для тех, кому лень читать Таненбаума.

Иллюстрация: Оля Ежак для Skillbox Media

Эксперт

Андрей Камардин

Ведущий системный инженер в «Ростелекоме». Эксперт Skillbox по администрированию Windows и работе с PowerShell.

Преподаёт в МАИ.

Компьютер, смартфон или планшет — это совокупность «железа», к которому относятся, например, процессор и видеокарта, и программного обеспечения. Они так бы и оставались всего лишь железом, если бы не операционная система, которая позволяет запускать на устройствах приложения, обеспечивает их совместную слаженную работу и взаимодействие с пользователем. С большинством ОС вы уже хорошо знакомы — это Windows, Linux, Android, iOS и другие.

В этой статье мы расскажем о том, как в общем устроена операционная система, какими были первые операционки и как они эволюционировали.

Содержание

Что такое операционная система

Операционная система (ОС, OS, operating system) — это набор программ, обеспечивающих работу компьютера или другого устройства и взаимодействие с ним пользователя.

Любые компьютеры, будь то ПК, ноутбуки, смартфоны или планшеты, состоят из двух групп компонентов:

  • Аппаратной части — процессора, оперативной памяти, клавиатуры, компьютерной мыши и так далее.
  • Программного обеспечения — системного и прикладного софта.

Чтобы они понимали друг друга, а пользователь мог взаимодействовать с устройством (запускать приложения), необходим посредник — операционная система.

Операционная система занимает промежуточное положение между пользователем и компонентами устройства
Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media

ОС выполняет много функций:

  • создаёт удобный для пользователя интерфейс;
  • стандартизирует доступ к устройствам ввода и вывода, например к клавиатуре и дисплею;
  • координирует распределение ресурсов между запущенным программным обеспечением;
  • выполняет запросы софта к аппаратной части;
  • фиксирует ошибки и проводит их отладку;
  • обеспечивает многозадачность программ;
  • и так далее.

Компоненты операционной системы

Операционная система представляет собой многослойную структуру, в центре которой находится ядро. Поверх него располагаются драйверы и службы, а оболочкой выступает пользовательский интерфейс.

Общая структура операционной системы
Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media

Ядро

Это основа операционной системы. Ядро представляет собой часть программного обеспечения, работающую напрямую с компонентами компьютера. Также оно отвечает за управление процессами, памятью компьютера, файловой системой, обработку входных и выходных данных.

Ядра бывают монолитными и модульными. В первых все инструменты, необходимые для работы, находятся внутри одной программы. Например, такое ядро использовалось в DOS. Но сейчас монолитных ядер почти не осталось, так как все операционные системы перешли на модульную архитектуру.

В модульном ядре все компоненты разделены на небольшие блоки, которые работают независимо друг от друга. Такая структура более стабильна, так как ошибки в одном компоненте не приводят к остановке всей системы. ОС с модульными ядрами в свою очередь бывают двух видов: с микроядрами, как, например, QNX и Symbian, и монолитные с подгружаемыми модулями — Windows и Linux.

Драйверы

Это программное обеспечение, благодаря которому операционная система работает с подключённым в устройстве «железом». Без драйверов она не узнает, что могут делать видеокарта, клавиатура, принтер и другие комплектующие и как правильно отправлять к ним запросы.

Пользовательский интерфейс

Бывает графическим (GUI) и командным (CLI).

Графический интерфейс (GUI) представляет собой визуальную среду с кнопками, иконками, меню и диалоговыми окнами. Именно он используется по умолчанию в Windows, macOS, Android, iOS и средах рабочих столов Linux.

Командный интерфейс (CLI) использовался в DOS, а сейчас реализован в виде терминала в Linux и macOS и командной строки в Windows, в которых пользователь вводит команды с клавиатуры. CLI даёт возможность гибко управлять системой, используя функции и скрипты. Его чаще всего используют разработчики и системные администраторы.

Виды операционных систем

Все существующие ОС можно классифицировать по нескольким признакам: разрядности, типу лицензии и области применения.

По разрядности

32-битные (x32). Адресуют до 4 ГБ оперативной памяти и могут запускать программы, написанные только под 32-битную систему.

64-битные (x64). Ограничение по оперативной памяти — до 16 ТБ. Такие ОС поддерживают 64-битные программы, а 32-битные запускают через эмулятор.

Почему так

Битность операционной системы характеризует длину двоичных чисел, с которыми она способна работать (помним, что в компьютере вся информация, в том числе текст и изображения, представляется в виде 1 и 0). Чтобы рассчитать максимальную длину числа в 32-битной системе, нужно возвести 2 в 32-ю степень:

2^32 = 4 294 967 296

Это также означает, что максимальное значение адреса ячейки ОЗУ, к которой может обратиться 32-битная система, не может превышать 4 294 967 296. Отсюда и ограничение на объём оперативной памяти в 4 ГБ.

Все современные версии операционных систем на компьютерах и смартфонах являются 64-битными. 32-битные версии иногда используют в устройствах со слабым «железом».

По типу лицензии

Коммерческие. Это платные ОС, которые лицензируются за деньги. Как правило, у них закрытый исходный код, который принадлежит конкретной компании. Например, Windows от Microsoft или macOS от Apple.

Свободно распространяемые. Бесплатные для пользователей, но могут включать платную поддержку. Например, как у продуктов Red Hat или Canonical.

Такие ОС можно свободно скачивать, распространять и даже модернизировать под себя. Главный пример — Linux, вариантов которого насчитывается уже более 500.

По области применения

Серверные операционные системы используются на серверах. Они включают в себя инструменты для обмена данными между компьютерами через сетевые соединения. Такими ОС являются Windows Server и Unix-системы для серверов.

Клиентские — системы для использования на автономных компьютерах или устройствах, подключённых к серверам. К примеру, Windows 11, macOS 14.3 или Ubuntu Linux.

Мобильные операционные системы разработаны для смартфонов и планшетов. Они позволяют работать с мобильными приложениями, управлять настройками сотовой сети и энергопотреблением. К ним относят Android и iOS.

История развития операционных систем

История развития операционных систем насчитывает около 70 лет. За это время простейший набор заданий для мейнфреймов, написанный на перфоленте, эволюционировал в то, что сейчас мы видим на экране компьютера или смартфона.

Всю историю можно разделить на три этапа.

Первый этап (1955–1965 годы)

История операционных систем начинается в 1955 году, когда инженер General Motors Роберт Л. Патрик и программист North American Airlines Оуэн Мок разработали для IBM 704 GM-NAA I/O. Её иногда называли системой ввода — вывода.

GM-NAA I/O позволяла мейнфрейму автоматически выполнять задания по проведению сложных математических вычислений. Их результаты выводились на подключённый принтер. Благодаря этому операторы мейнфрейма могли проводить вычисления без постоянной смены специальных плат.

IBM 704, на котором работала GM-NAA I/O
Фото: NASA

В 1964 году появилась ОС Multics, созданная совместными усилиями Мичиганского университета, General Electric и Bell Labs. В ней была реализована возможность параллельной работы нескольких программ, концепция виртуальной памяти и файловая система на основе дерева каталогов, используемые и сегодня.

Второй этап (1965–1980 годы)

В 1969 году в исследовательской лаборатории Bell Labs разработали ОС Unix. Она — основа современных операционных систем.

Unix поддерживала язык C и протокол TCP/IP. Это первая ОС, которую можно было установить на сервер. К ней могли подключиться компьютеры-клиенты, позволяя одновременно работать нескольким пользователям.

Unix версии 7, работающая в эмуляторе SIMH
Изображение: Robert M. Supnik / WIkimedia Commons

В 1973 году компания Xerox разработала первую операционную систему с графическим интерфейсом — Alto OS. В ней была реализована оконная система с различными типами элементов управления, такими как кнопки, поля ввода и списки.

Так как Alto OS работала только на компьютерах Xerox Alto, которые были дорогими, она использовалась только внутри самой компании Xerox и в некоторых университетах.

Интерфейс Xerox Alto
Изображение: Xerox Corporation

Третий этап (1980 — настоящее время)

В это время появляются персональные компьютеры, доступные не только корпорациям и университетам, но и обычным пользователям.

В 1984 году компания Apple выпускает первую систему для своих Macintosh под названием System 1, созданную на основе Alto OS. С её помощью Стив Возняк планировал избавить пользователей от сложности существующих ОС и вывести компьютеры компании на массовый рынок.

Интерфейс System 1
Изображение: Apple Inc.

Microsoft старалась не отставать и в 1985 году выпустила Windows 1.0. Операционная система не была инновационной, а представляла собой графическую оболочку для MS-DOS, предыдущего продукта, созданного для компании IBM.

Интерфейс Windows 1.0
Изображение: Microsoft Corporation

В 1991 году в игру включается независимый разработчик Линус Торвальдс. На основе Unix он создаёт собственную операционную систему Linux и выкладывает её в открытый доступ.

Так как исходный код Linux распространяется свободно, к развитию системы с самого начала подключается большое число независимых разработчиков. Но первая графическая оболочка для ОС GNOME появилась лишь в 1999 году.

GNOME — первый графический интерфейс для Linux Red Hat
Изображение: WIkimedia Commons

Операционные системы для смартфонов развивались параллельно. С 1998 года разрабатывалась Symbian — ОС для Nokia, а с 1999 года — BlackBerry OS для BlackBerry от компании RIM.

Из современных мобильных операционных систем первой в 2007 году появилась iOS, созданная на ядре Linux компанией Apple.

Инноваций было немного: первый мультитач в мобильном устройстве, виртуальная клавиатура, синхронизация с iTunes и браузер Safari. Главное преимущество той iOS — стабильная работа благодаря разработке под один конкретный девайс.

Интерфейс iPhone OS
Изображение: Apple Inc.

Главным конкурентом iOS стала разработанная в 2008 году Android OS. Её выпустила компания Android Inc., которую позже приобрёл Google. Эта система также создана на ядре Linux, но распространяется с открытым исходным кодом.

Основное отличие Android от конкурентов — возможность кастомизации дизайна и настроек на любом устройстве. Первая версия ОС вышла на смартфоне HTC Dream.

Интерфейс Android Astro
Изображение: HTC Corporation

Популярные операционные системы

С момента разработки первой операционной системы прошло больше 60 лет. Было выпущено огромное количество разных ОС, но к сегодняшнему дню популярность обрели продукты компаний-гигантов и модификации операционных систем с открытым исходным кодом.

Статистика операционных систем для компьютеров и мобильных устройств по доле рынка
Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media

Windows. Знакомая большинству операционная система с многолетней историей. Её главные преимущества — это дружелюбный интерфейс, обширная совместимость с программами, играми и периферией. Это сделало её самой популярной системой среди пользователей ПК и ноутбуков. Но она является платной, закрытой и требовательной к «железу».

macOS — ОС для Macbook и iMac. Компания Apple постаралась над архитектурой своей «оси» и максимально оптимизировала её под используемые комплектующие. В первые годы macOS преимущественно выбирали специалисты творческих профессий — видеомонтажёры, журналисты и другие, — но сейчас многие покупают устройства компании из-за их стабильной работы и личных предпочтений к дизайну.

Любителям тонкой настройки операционной системы и инструментов с открытым исходным кодом подойдут бесплатные Linux-подобные ОС. В них удобно администрировать серверы, работать с базами данных и вообще делать всё то же самое, что и в Windows и macOS.

Android распространяется с открытым исходным кодом. Большое количество компаний разрабатывают на его основе собственные интерфейсные оболочки для своих Android-смартфонов.

Такие преимущества ОС, как понятное управление, возможности широкой настройки интерфейса, большой магазин приложений, завоевали «Андроиду» популярность у производителей мобильных устройств и других портативных гаджетов.

iOS устанавливается только на мобильные устройства от Apple. Вместе они образуют единую экосистему, что является одновременно и плюсом, и минусом. Сами по себе они работают быстро и стабильно, отлично синхронизируясь с другими гаджетами компании. Но при взаимодействии со сторонними ОС могут возникать ошибки. Система является закрытой, поэтому кастомизировать её не получится, а приложения можно установить только из официального магазина — App Store.

Подведём итоги

Что мы сегодня узнали:

  • Операционная система — это набор программ, обеспечивающих работу компьютера или другого устройства и взаимодействие с ним пользователя.
  • Структурно ОС состоит из ядра, драйверов и пользовательского интерфейса.
  • Сегодня преимущественно используются 64-битные операционные системы с модульной архитектурой.
  • Самые популярные ОС для ПК — Windows и macOS, а для мобильных устройств — Android и iOS.

Больше интересного про код — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь!

Запишите ребёнка на бесплатный урок в Skillbox Kids ➞
Учим детей программированию, веб-дизайну и разработке игр. Преподаватель — IT-эксперт — подберёт курс по интересам ребёнка. Подробности — по клику.
Узнать больше
Понравилась статья?
Да

Пользуясь нашим сайтом, вы соглашаетесь с тем, что мы используем cookies 🍪

Ссылка скопирована