Операционные системы и среды : в 2 ч. Ч. 1

Москва 2022

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ

Кафедра автоматизированных систем управления

А.Н. Гончаренко

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ

Часть 1

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4679

УДК 65.011.56 
 
Г65

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. Д.В. Калитин

Гончаренко, Алексей Николаевич.
Г65  
Операционные системы и среды : курс лекций : в 2 ч. / 
А.Н. Гончаренко. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
«МИСиС», 2022. – Ч. 1. – 111 с.
ISBN 978-5-907560-17-8

Курс лекций знакомит с основными понятиями, назначением, 
типами и ключевыми функциями операционных систем. Подробно 
обсуждаются общие вопросы и особенности структурной организации 
операционных систем. Материал, изложенный в курсе лекций, 
позволяет расширить кругозор и вызвать интерес к углубленному 
изучению дисциплины «Операционные системы и среды».
Предназначен для обучающихся в бакалавриате по направле-
нию подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техни-
ка», а также обучающихся по другим направлениям подготовки, 
изучающих информационные технологии. Курс лекций может 
быть рекомендован при описании информационных систем в ос-
новной части выпускной квалификационной работы.

УДК 65.011.56

 Гончаренко А.Н., 2022
ISBN 978-5-907560-17-8
 НИТУ «МИСиС», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1. Понятие, назначение, типы и основные  
функции операционных систем. Особенности структурной 
организации операционных систем ................................... 4
Лекция 2. Определение и классификация интерфейсов ..... 29
Лекция 3. Современные файловые системы. Файловая 
система FAT ................................................................. 35
Лекция 4. Файловая система NTFS ................................ 43
Лекция 5. Концепция и особенности архитектуры 
операционных систем семейства Windows ........................ 51
Лекция 6. Установка и удаление оборудования 
в ОС Windows. Драйверы устройств ................................. 61
Лекция 7. Архитектура реестра в ОС Windows ................. 71
Лекция 8. Командная строка в ОС Windows. Основные 
команды и параметры .................................................... 88
Библиографический список ...........................................110

ЛЕКЦИЯ 1.  
Понятие, назначение, типы и основные 
функции операционных систем. 
Особенности структурной организации 
операционных систем

Операционная система (ОС) – это программа, которая обе-
спечивает возможность рационального использования обо-
рудования компьютера удобным для пользователя образом. 
В данной лекции рассказывается о предмете, изучаемом в рам-
ках дисциплины «Операционные системы и среды». Сначала 
мы попытаемся ответить на вопрос, что такое ОС. Затем после-
дует анализ эволюции ОС и рассказ о возникновении основных 
концепций и компонентов современных ОС. В заключение бу-
дет представлена классификация ОС с точки зрения особенно-
стей архитектуры и использования ресурсов компьютера.
Из чего состоит любая вычислительная система?
Во-первых, из того, что в англоязычных странах принято 
называть словом hardware, или техническим обеспечением, – 
процессора, памяти, монитора, дисковых устройств и т.д., 
объединенных магистральным соединением, которое называ-
ется шиной.
Во-вторых, вычислительная система состоит из программ-
ного обеспечения. Все программное обеспечение принято де-
лить на две части – прикладное и системное. К прикладному 
программному обеспечению, как правило, относят разнообраз-
ные банковские и прочие бизнес-программы, игры, текстовые 
процессоры и т.п. Под системным программным обеспечением 
обычно понимают программы, способствующие функциониро-
ванию и разработке прикладных программ. Надо сказать, что 
деление на прикладное и системное программное обеспечение 
является отчасти условным и зависит от того, кто осуществля-
ет такое деление. Так, обычный пользователь, неискушенный 
в программировании, может считать Microsoft Word систем-
ной программой, а с точки зрения программиста, это – при-
ложение. Компилятор языка Си для обычного программи-
ста – системная программа, а для системного – прикладная. 

Несмотря на эту нечеткую грань, данную ситуацию можно 
отобразить в виде последовательности слоев (рис. 1.1), выде-
лив наиболее общую часть системного программного обеспече-
ния – ОС.

Рис. 1.1. Слои программного обеспечения компьютерной 
системы

Большинство пользователей имеет опыт эксплуатации опе-
рационных систем, но тем не менее они затруднятся дать это-
му понятию точное определение. Давайте кратко рассмотрим 
основные точки зрения относительно этого понятия.

Операционная система как виртуальная машина
При разработке ОС широко применяется абстрагирование, 
которое является важным методом упрощения и позволяет скон-
центрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонен-
тов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле 
ОС представляет собой интерфейс между пользователем и ком-
пьютером.
Архитектура большинства компьютеров на уровне машин-
ных команд очень неудобна при использовании прикладных 

программ. Например, работа с диском предполагает знание вну-
треннего устройства его электронного компонента – контролле-
ра, предназначенного для ввода команд вращения диска, поис-
ка и форматирования дорожек, чтения и записи секторов и т.д. 
Очевидно, что программист среднего уровня не в состоянии учи-
тывать все особенности работы оборудования (в современной 
терминологии – заниматься разработкой драйверов устройств), 
а должен иметь простую высокоуровневую абстракцию, скажем, 
представляя информационное пространство диска как набор 
файлов. Файл можно открывать для чтения или записи, 
использовать для получения или сброса информации, а потом 
закрывать. Это концептуально проще, чем заботиться о деталях 
перемещения головок дисков или организации работы мотора. 
Аналогичным образом, с помощью простых и ясных абстракций, 
скрываются от программиста все ненужные подробности 
организации прерываний, работы таймера, управления памятью 
и т.д. Более того, на современных вычислительных комплексах 
можно создать иллюзию неограниченного размера оперативной 
памяти и числа процессоров. Всем этим занимается 
ОС. Таким образом, ОС представляется пользователю виртуальной 
машиной, с которой проще иметь дело, чем непосредственно 
с оборудованием компьютера.

Операционная система как менеджер ресурсов. ОС предназначена 
для управления всеми частями весьма сложной 
архитектуры компьютера. Представим, к примеру, что произойдет, 
если несколько программ, работающих на одном компьютере, 
будут пытаться одновременно осуществлять вывод 
на устройство печати. Мы получили бы мешанину из строчек 
и страниц, выведенных на печать различными программами. 
ОС предотвращает такого рода хаос путем буферизации информации, 
предназначенной для печати, на диске и организации 
очереди на печать. Для многопользовательских компьютеров 
необходимость управления ресурсами и их защиты еще более 
очевидна. Следовательно, ОС, как менеджер ресурсов, осуществляет 
упорядоченное и контролируемое распределение 
процессоров, памяти и других ресурсов между различными 
программами.

Операционная система как защитник пользователей и 
программ. Если вычислительная система допускает совместную 
работу нескольких пользователей, то возникает проблема 
организации их безопасной деятельности. Необходимо обеспечить 
сохранность информации на диске для того, чтобы никто 
не мог удалить или повредить чужие файлы. Нельзя разрешить 
программам одних пользователей произвольно вмешиваться 
в работу программ других пользователей. Нужно пресекать попытки 
несанкционированного использования вычислительной 
системы. Всю эту деятельность осуществляет ОС как организатор 
безопасной работы пользователей и их программ. С такой 
точки зрения ОС представляется системой, обеспечивающей 
безопасность государства, на которую возложены полицейские 
и контрразведывательные функции.

Операционная система как постоянно функциониру-
ющее ядро. Наконец, можно дать и такое определение: опе-
рационная система – это программа, постоянно работающая 
на компьютере и взаимодействующая со всеми прикладными 
программами. Казалось бы, это абсолютно правильное опре-
деление, но, как мы увидим дальше, для многих современных 
ОС постоянно работает на компьютере лишь часть ОС, кото-
рую принято называть ее ядром.
Существует много точек зрения относительно того, что та-
кое ОС. Невозможно дать ей строгое определение. Нам проще 
сформулировать не что есть ОС, а для чего она нужна и что она 
делает. Для выяснения этого вопроса рассмотрим историю 
развития вычислительных систем.

Краткая история эволюции вычислительных систем
Мы будем рассматривать историю развития именно вычис-
лительных систем, а не ОС, потому что hardware и программ-
ное обеспечение эволюционировали совместно, оказывая вза-
имное влияние друг на друга. Появление новых технических 
возможностей приводило к прорыву в области создания удоб-
ных, эффективных и безопасных программ, а свежие идеи 
в программной области стимулировали поиски новых техни-
ческих решений. Именно эти критерии – удобство, эффектив-

ность и безопасность – играли роль факторов «естественного 
отбора» при эволюции вычислительных систем.

Первый период (1945–1955 гг.). Ламповые машины. ОС 
еще не созданы. Мы начнем исследование развития компью-
терных комплексов с появления электронных вычислитель-
ных систем (опуская историю механических и электромехани-
ческих устройств).
Первые шаги в области разработки электронных вычисли-
тельных машин были предприняты в конце Второй мировой во-
йны. В середине 1940-х годов были созданы первые ламповые 
вычислительные устройства и сформулирован принцип про-
граммы, хранящейся в памяти машины (John Von Neumann, 
июнь 1945 г.). В то время одна и та же группа людей участво-
вала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программиро-
вании вычислительной машины. Это была скорее научно-ис-
следовательская работа в области вычислительной техники, 
а не регулярное использование компьютеров в качестве инстру-
мента решения каких-либо практических задач из других при-
кладных областей. Программирование осуществлялось исклю-
чительно на машинном языке. Об использовании ОС не было 
и речи, все задачи организации вычислительного процесса ре-
шались вручную каждым программистом с помощью пульта 
управления. За пультом мог находиться только один пользова-
тель. Программа загружалась в память машины в лучшем слу-
чае с использованием колоды перфокарт, а обычно с помощью 
панели переключателей.
Вычислительная система выполняла одновременно только 
одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). От-
ладка программ велась с пульта управления с помощью изуче-
ния состояния памяти и регистров машины.
В конце данного периода появляется первое системное про-
граммное обеспечение – в 1951–1952 гг. создаются прообразы 
первых компиляторов с символических языков (Fortran и др.), 
а в 1954 г. Nat Rochester разрабатывает язык программирова-
ния «Ассемблер» для IBM-701.
Существенная часть времени уходила на подготовку про-
цесса запуска программы, а сами программы выполнялись 

строго последовательно. Такой режим работы называется последовательной 
обработкой данных. В целом первый период 
характеризуется крайне высокой стоимостью вычислительных 
систем, их малым числом и низкой эффективностью использования.


Второй период (1955 г. – начало 1960-х годов). Компьютеры 
на основе транзисторов. Пакетные ОС. С середины 
1950-х годов начался следующий период в эволюции вычислительной 
техники, связанный с появлением новой технической 
базы – полупроводниковых элементов (транзисторов). Применение 
транзисторов вместо часто перегоравших электронных 
ламп позволило повысить надежность компьютеров. Начиная с 
этого момента машины могли непрерывно работать достаточно 
долгое время, поэтому на них можно было возложить выполнение 
важных с практической точки зрения задач. Снизилось 
потребление вычислительными машинами электроэнергии, 
усовершенствовались системы охлаждения. Размеры компьютеров 
уменьшились. Уменьшилась стоимость эксплуатации и 
обслуживания вычислительной техники. Началось использование 
электронно-вычислительных машин (ЭВМ) коммерческими 
фирмами.
Одновременно происходило бурное развитие алгоритми-
ческих языков (LISP, COBOL, ALGOL-60, PL-1 и т.д.). По-
явились первые настоящие компиляторы, редакторы свя-
зей, библиотеки математических и служебных подпрограмм. 
Упростился процесс программирования. Отпала необходи-
мость «взваливать» на одних и тех же людей весь процесс раз-
работки и использования компьютеров. Именно в этот период 
произошло разделение персонала на программистов и операто-
ров, специалистов по эксплуатации и разработчиков вычисли-
тельных машин.
Изменился сам процесс «прогона» программ. Теперь поль-
зователь приносил программу с входными данными в виде ко-
лоды перфокарт и указывал необходимые ресурсы. Такая ко-
лода получила название задания. Оператор загружал задание 
в память машины и запускал его на исполнение. Полученные 
выходные данные печатались на принтере, и пользователь по-

лучал их обратно через некоторое (довольно продолжитель-
ное) время.
Смена запрошенных ресурсов вызывала приостановку вы-
полнения программ, в результате процессор часто простаивал. 
Для повышения эффективности использования компьютера 
задания с похожими ресурсами начали собирать вместе, созда-
вая пакет заданий.
Появились первые системы пакетной обработки, которые 
просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за 
другой и тем самым позволяют увеличить коэффициент загруз-
ки процессора. При реализации систем пакетной обработки был 
разработан формализованный язык управления заданиями, 
с помощью которого программист сообщал системе и оператору, 
какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. 
Системы пакетной обработки стали прообразом современных 
ОС, они были первыми системными программами, предназна-
ченными для управления вычислительным процессом.

Третий период (начало 1960-х годов – 1980 г.). Компьюте-
ры на основе интегральных микросхем. Первые многозадач-
ные ОС. Следующий важный период совершенствования вычис-
лительных машин относится к большей части второй половины 
XX в. В это время в технической базе произошел переход от от-
дельных полупроводниковых элементов типа транзисторов 
к интегральным микросхемам. Вычислительная техника стано-
вится более надежной и дешевой. Возросла сложность и количе-
ство задач, решаемых компьютерами. Повысилась производи-
тельность процессоров.
Повышению эффективности использования процессор-
ного времени мешала низкая скорость работы механических 
устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог 
обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 
600 строк в минуту). Вместо непосредственного переноса па-
кета заданий с перфокарт в память вычислительной машины 
начали использовать его предварительную запись, сначала 
на магнитную ленту, а затем и на диск. Когда в процессе вы-
полнения задания требовался ввод данных, они считывались 
с диска. Точно так же выходная информация сначала копиро-

валась в системный буфер и записывалась на ленту или диск, 
а печаталась только после завершения выполнения задания. 
Вначале действительные операции ввода-вывода осуществля-
лись в режиме off-line, т.е. с использованием других, более 
простых, отдельно стоящих компьютеров. В дальнейшем эти 
операции начинают выполнять на том же компьютере, на ко-
тором производятся вычисления, т.е. в режиме on-line. Та-
кой прием получает название spooling (сокр. от Simultaneous 
Peripheral Operation On Line) или подкачки-откачки данных. 
Введение техники подкачки-откачки в пакетные системы по-
зволило совместить реальные операции ввода-вывода одного 
задания с выполнением другого задания, но для этого потребо-
валась разработка аппарата прерываний для извещения про-
цессора об окончании этих операций.
Магнитные ленты представляли собой устройства последо-
вательного доступа, т.е. информация считывалась с них в том 
порядке, в каком была записана. Появление магнитного дис-
ка, для которого не важен порядок чтения информации, т.е. 
устройства прямого доступа, способствовало дальнейшему раз-
витию вычислительных систем. При обработке пакета заданий 
на магнитной ленте очередность запуска заданий определялась 
порядком их ввода. При обработке пакета заданий на магнит-
ном диске появилась возможность выбора очередного выпол-
няемого задания. Пакетные системы позволили планировать 
очередность выполнения заданий – в зависимости от наличия 
запрошенных ресурсов, степени срочности вычислений и т.д. 
выбирается то или иное задание.
Дальнейшее повышение эффективности использования про-
цессора было достигнуто с помощью мультипрограммирования. 
Идея мультипрограммирования заключается в следующем – 
пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, про-
цессор не простаивает, как это происходило при однопрограмм-
ном режиме, а выполняет другую программу. Когда операция 
ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выпол-
нению первой программы. Это напоминает поведение препода-
вателя и студентов на экзамене. Пока один студент (программа) 
обдумывает ответ на вопрос (операция ввода-вывода), препода-
ватель (процессор) выслушивает ответ другого студента (вычис-