Caracteristicile unui sistem de operare

Caracteristicile unui sistem de operare se descriu prin structura lui, adică părțile din care este alcătuit, prin funcțiile pe care le îndeplinește și prin elementele de interfață cu care lucrează utilizatorul. Definiția și tipurile sistemelor de operare sunt prezentate în subcapitolul Concepte de bază. Tipuri de sisteme de operare.

Structura sistemului de operare

Componentele

Modul nucleu și modul utilizator

Procesorul poate lucra în două moduri, iar sistemul de operare folosește această posibilitate pentru a se proteja de programele de aplicație:

• modul nucleu (modul privilegiat) — în el se execută sistemul de operare, care are acces la toate instrucțiunile procesorului, la toată memoria și la dispozitive;
• modul utilizator — în el se execută programele de aplicație, care nu pot executa instrucțiunile privilegiate, de exemplu operațiile directe de intrare-ieșire.

Când un program are nevoie de un serviciu rezervat sistemului de operare, face un apel sistem, iar procesorul trece în modul nucleu. O încercare de a executa o instrucțiune privilegiată în modul utilizator este semnalată sistemului de operare ca eroare. Fără această separare, un program de aplicație ar putea modifica zonele de memorie ale sistemului de operare și ar putea prelua controlul calculatorului.

Organizarea componentelor

Componentele sistemului de operare pot fi legate între ele în mai multe feluri:

Funcțiile sistemului de operare

Funcțiile sistemului de operare decurg din rolul lui de administrator al resurselor: fiecărei resurse îi corespunde o funcție de gestiune.

Gestionarea proceselor

Un proces este un program aflat în execuție, împreună cu datele lui. Mai multe programe deschise în același timp înseamnă mai multe procese, iar sistemul de operare însuși este format din procese.

Pentru gestionarea proceselor, sistemul de operare:

• creează și termină procesele: încarcă programul în memorie și îl lansează în execuție, iar la încheiere eliberează resursele folosite;
• planifică execuția proceselor: pe un procesor se execută, la un moment dat, un singur proces, iar sistemul de operare trece rapid procesorul de la un proces la altul, astfel încât procesele par să se execute simultan;
• suspendă și reia procesele, de exemplu un proces care așteaptă datele de la un dispozitiv;
• sincronizează procesele care folosesc aceleași resurse și asigură comunicarea dintre ele.

Un proces se află, în fiecare moment, într-una dintre stările:

• în execuție — procesorul execută instrucțiunile lui;
• pregătit — poate fi executat și așteaptă să primească procesorul;
• blocat — așteaptă un eveniment, de obicei încheierea unei operații de intrare-ieșire, și nu poate fi executat până la producerea lui.

Ordinea în care procesele pregătite primesc procesorul este stabilită de algoritmii de planificare ai sistemului de operare.

Monitorizarea proceselor

Utilizatorul vede procesele în execuție și resursele pe care le consumă într-un program de monitorizare oferit de sistemul de operare.

• În Windows, managerul de activități (Task Manager) se deschide cu Ctrl + Shift + Esc sau din meniul afișat de Ctrl + Alt + Delete. Fila Procese (Processes) arată, pentru fiecare aplicație și proces, procentul de procesor (CPU), memoria, discul și rețeaua folosite. Un clic pe titlul unei coloane ordonează lista după acea resursă, astfel încât aplicația care consumă cel mai mult ajunge prima. Butonul Închidere activitate (End task) oprește aplicația selectată, de exemplu una care nu mai răspunde la comenzi. Fila Performanță arată gradul de ocupare a procesorului, a memoriei și a discurilor.
• În Ubuntu, aplicația Monitor de sistem (System Monitor) are filele Procese, Resurse și Sisteme de fișiere; procesul selectat se oprește din meniul contextual (End sau, forțat, Kill). În terminal, comanda top afișează procesele ordonate după consumul de procesor (se iese cu tasta q), iar comanda kill urmată de numărul procesului (PID) îl oprește.

Oprirea forțată a unei aplicații pierde datele nesalvate din ea, iar oprirea unui proces al sistemului de operare poate bloca sistemul.

Gestionarea memoriei

Memoria internă este una dintre resursele cele mai importante, fiindcă orice program trebuie să se afle în ea pentru a fi executat. Pentru gestionarea memoriei, sistemul de operare:

• ține evidența zonelor de memorie ocupate și a celor libere;
• alocă memorie proceselor care o cer și o recuperează când procesele se termină;
• protejează zona de memorie a fiecărui proces, astfel încât un proces nu poate citi sau modifica memoria altui proces sau a sistemului de operare;
• mută procesele între memoria internă și disc atunci când memoria internă nu ajunge pentru toate.

Când memoria internă nu ajunge, sistemul de operare folosește memoria virtuală: o parte din datele proceselor se păstrează pe disc, într-un fișier special (în Windows, fișierul de paginare), și se aduc în memoria internă numai când sunt folosite. Un proces se poate executa astfel chiar dacă nu se află în întregime în memoria internă. Deoarece discul este mult mai lent decât memoria internă, un calculator cu multe programe deschise în același timp lucrează mai încet, iar dacă spațiul liber de pe disc este insuficient, programele nu mai pot fi executate.

Gestionarea dispozitivelor de intrare-ieșire

Dispozitivele de intrare-ieșire diferă mult între ele: ca viteză de transfer, ca unitate de transfer (caractere sau blocuri de date) și ca mod de control. Sistemul de operare le face utilizabile într-un mod unitar:

• comunică cu fiecare dispozitiv prin driverul lui, care traduce cererile sistemului de operare în comenzi pentru controlerul dispozitivului;
• oferă programelor operații uniforme: un program scrie date într-un fișier în același fel, fie că fișierul se află pe un hard disk, pe o memorie USB sau pe un disc din rețea;
• coordonează transferul datelor, prin întreruperi și prin acces direct la memorie, astfel încât procesorul nu așteaptă inactiv încheierea unei operații de intrare-ieșire;
• tratează erorile apărute la dispozitive, cât mai aproape de locul în care s-au produs;
• gestionează accesul la dispozitivele folosite de mai multe programe, de exemplu prin coada de așteptare a lucrărilor trimise la imprimantă.

Controlerele, întreruperile și accesul direct la memorie sunt prezentate în subcapitolul Sisteme de calcul și componentele lor.

Gestionarea fișierelor

Sistemul de operare organizează informația de pe suporturile de memorie externă în fișiere, grupate în directoare (foldere), într-o structură arborescentă. Pentru gestionarea fișierelor:

• creează, copiază, mută, redenumește și șterge fișiere și directoare;
• stabilește locul pe disc în care se scriu datele fiecărui fișier și îl regăsește la citire;
• păstrează informații despre fiecare fișier: numele, tipul, dimensiunea, data creării și a modificării, drepturile de acces;
• permite căutarea fișierelor și a directoarelor după nume, tip sau alte proprietăți;
• asociază fiecărui tip de fișier, după extensie, aplicația cu care se deschide.

În Windows, aceste operații se fac cu aplicația File Explorer. Sistemul de fișiere și operațiile cu fișiere sunt prezentate în subcapitolul Organizarea logică a datelor.

Asigurarea interfeței cu utilizatorul

Sistemul de operare pune la dispoziția utilizatorului mijloacele prin care acesta lansează și închide programe, gestionează fișierele și configurează calculatorul. Elementele interfeței sunt prezentate mai jos, în secțiunea Elemente de interfață.

Tot prin interfață se face configurarea sistemului. În Windows, panoul de control (Control Panel) și aplicația Setări (Settings) permit, între altele:

• modificarea setărilor de afișare, a datei și a orei, a setărilor regionale și de limbă;
• personalizarea suprafeței de lucru, a barei de activități și a meniului Start;
• gestionarea dispozitivelor și a imprimantelor instalate, a programelor și a conturilor de utilizator.

Securitatea și protecția

Sistemul de operare protejează datele și programele utilizatorilor, precum și propriile componente:

• administrează conturile de utilizator: fiecare utilizator se conectează la contul lui cu nume și parolă, iar sistemul de operare îi permite accesul numai la resursele pentru care are drept;
• controlează drepturile de acces la fișiere, stabilite separat pentru proprietarul fișierului, pentru un grup de utilizatori și pentru ceilalți utilizatori;
• protejează memoria fiecărui proces și a sistemului de operare;
• separă modul nucleu de modul utilizator, astfel încât programele de aplicație nu pot executa operațiile rezervate sistemului de operare.

Securitatea datelor și programele antivirus sunt prezentate în subcapitolul Securitatea datelor. Viruși informatici.

Elemente de interfață

Interfața cu utilizatorul este formată din toate mijloacele prin care utilizatorul comunică cu calculatorul: prin ea introduce comenzi și date și primește răspunsuri.

Interfața în linie de comandă

În interfața în linie de comandă (interfața text), un program numit interpretor de comenzi afișează pe ecran un prompter, adică un semn care arată că sistemul așteaptă o comandă. Utilizatorul scrie comanda de la tastatură, eventual însoțită de parametri, iar interpretorul o execută și afișează rezultatul tot sub formă de text.