3.4.1. Operativni sustav (OS)

Kako je svaki program u biti skup instrukcija mikroprocesoru što ima raditi, za svaku vrstu računala prema tipu mikroprocesora, moraju se uspostaviti jedinstvena pravila komunikacije između komponenti usklađena sa mogućnostima unutrašnje logičke arhitekture mikroprocesora, a to je suštinska zadaća operativnog sustava (OS). Pri tom vrijedi jedinstvena zakonitost: bolji procesori za svoje potpuno iskorištenje zahtijevaju i složeniji operativni sustav.

Prema mogućnostima sustava globalna podjela bila bi:

            1.) Jednozadaćni jednokorisnički operativni sustav, koji u
                isto vrijeme može raditi samo jednu zadaću i omogućava
                posluživanje komandi samo jednog korisnika, kao MS-DOS
                operativni sustav.

            2.) Višezadaćni jednokorisnički operativni sustav, koji
                omogućava obavljanje više zadaća 'istovremeno', odnosno
                koristi vremenska razdoblja nekorištenja mikroprocesora
                za jednu zadaću u svrhu rješavanja druge zadaće.
                Tu spada Windows 95, NT, XP, 7, Vista, 8, 8.1, 10,
                i Windows 11 operativni sustav.

            3.) Višekorisnički operativni sustav, koji omogućava da
                više korisnika koristi istu aplikaciju za rješavanje
                svog problema, dakle podrazumijeva se da mora biti
                i višezadaćni, kao UNIX, LINUX
                ili Windows Server platforma.

            4.) Mrežni operativni sustav kao posebna programska
                cjelina (Novell NetWare) ili već ukomponiran u
                operativni sustav DRS (Windows ili Linux platforma).

Operativni sustav sadrži niz programa od kojih se svi ne učitavaju u radnu memoriju po uključivanju računala već samo dio, dok je ostalo na tvrdom disku i na raspolaganju korisniku. Jednostavniji i mnogo manji operativni sustavi (kalkulator) u cijelosti su na raspolaganju procesoru i obično su dio memorije upisan u ROM. Sigurno je za korisnika dobro da na svom kućnom računalu ima višezadaćni operativni sustav (multitasking), naoko istovremena izvedbu dviju ili više zadaća. No velika je razlika na koji način je ova osobitost omogućena. Kod Windows operativnog sustava omogućena je na nivou programske potpore operativnog sustava, a na Unix-odnim operativnim sustavima omogućena je na nivou funkcionalnosti jezgre operativnog sustava. Naravno da je učinkovitost glede raspodjele zadaća koje se upućuju procesoru na nivou jezgre znatno bolja.

Prema slici 3.4.3 mogu se definirati zadaće koje operativni sustav mora izvršavati da bi sve to skupa povezano 'strelicama' učinkovito radilo. Zadaće operativnog sustava su:

Upravljanje procesima Upravljanje radnom memorijom Upravljanje sekundarnom-trajnom memorijom (disk) Upravljanje ulaznim uređajima Upravljanje izlaznim uređajima Upravljanje imenicima Upravljanje datotekama Zaštita dijelova sustava Otkrivanje pogreški u radu sustava Tumačenje upravljačkih naredbi Upravljanje mrežnom povezanošću računala Mrežna raspoloživost sadržaja i uređaja Nadogradnja sustava preko mreže Izvješće proizvođaču OS o greškama

Ako operativni sustav dobiva i izvršava zadaće onda su one u svrhu pružanja nekakvih usluga. Usluge operativnog sustava namijenjene su povećanju udobnosti rada korisnika te znatno olakšavaju proces izrade i izvođenja programa. Usluge se dijele u sljedeće skupine:

• Izvođenje programa - sustav mora imati mogućnost upisa programa u radnu memoriju te njegovog pokretanja i izvođenja.
• U / I operacije - tu spada čitanje podataka s diska, upis podataka na disk, prikaz na ekranu, unos znakova s tipkovnice i slično.
• Upravljanje sustavom datoteka - datoteka je skup informacija (program ili podaci) zapisanih u sekundarnoj memoriji (disk). Upravljanje je zasebna funkcija, a korisnik datoteci pristupa preko jedinstvenog imena. Operacije upravljanja sustavom datoteka podrazumijevaju stvaranje datoteka, upis u datoteku, čitanje iz datoteke i brisanje datoteke.
• Komunikacija među procesima - moguća su dva slučaja; procesi koji se izvode na istom računalu i procesi koji se izvode na različitim računalima povezanim mrežom.
• Otkrivanje pogrešaka - nastaju kao posljedica otkazivanja sklopova, u prijenosu informacija, pri neispunjavanju uvjeta za ispravan rad ili kao posljedica pogrešaka tijekom izvođenja programa.
• Dodatne funkcije - koje osiguravaju učinkovit rad sustava; dodjela sredstava, vođenje evidencija i zaštita.

Najvažnije od svega je razumjeti proces. Proces je program u tijeku - izvođenju, koji sadrži instrukcije (kod) namijenjene procesoru. Sustav se sastoji od skupine procesa: korisnički procesi (izvode korisnički kod) i procesi OS-a (izvode sistemski kod). Procesi se izvode paralelno izmjenično koristeći procesor. Procesi obuhvaćaju i trenutne aktivnosti u sustavu opisane sadržajima registara (spremnika) procesora i sadržajima memorijskih lokacija koje koristi proces. Proces sadrži programski odsječak ili nepromjenjivi tekstualni segment istog procesa koji sadrži privremene podatke i globalne podatke pohranjene u podatkovnoj memoriji. Proces je aktivni entitet tj. program u izvođenju s programskim brojilom i pripadajućim skupom registara i memorijskih lokacija kao i resursa koje koristi. Svaki operativni sustav ima programsku potporu za nadzor rada procesa. Može ih zaustaviti i ponovo pokrenuti, nije za svakoga da se s ovim 'igra'.

Stanja procesa mogu biti:

• Novi - stanje stvaranja procesa (new)
• Aktivan - proces koji se izvodi (running)
• Pripravan - čeka na dodjelu procesora (ready)
• Čeka - proces koji čeka na neku aktivnost (waiting)
• Završio - proces koji je završio obradu (terminated)

No ima jedna sitna mala začkoljica. Uvijek je aktivan samo jedan proces, dok ostali čekaju na dodjelu procesoru na izvršavanje. Samo to je toliko brzo da se pri uobičajenom radu s računalom navedeno čekanje ne primjećuje. Više o procesima u poglavljima o Windows XP i Linux operativnom sustavu. Sastav operativnog sustava prema namijeni i zadaćama pojedinih njegovih dijelova bio bi:

Slika 3.4.3 Elementi operativnog sustava DRS.

MONITOR, kratki program za nadzor svih resursa. Preko njega prevode se sve instrukcije mikroprocesoru. Koristi JEZGRU (KERNEL) operativnog sustava, dio koji uz BIOS služi za neposredno upravljanje sklopovljem računala, ispravno uključivanje računala te učitavanje u radnu memoriju monitora i nužnih programskih resursa glede ostvarivanja interakcije čovjeka i računala. Monitor sadrži osnovne komande operativnog sustava koje se zbog neprekidne dostupnosti korisniku nazivaju UGRAĐENE (BuildIn, Internal).

U / I PODRŠKA, za obavljanje komunikacije u računalu i između računala i periferija. Koristi u za tu svrhu pisane programske rutine opće namijene koje su sastavni dio BIOS-a i programske pogonitelje - upravljačke programe specifične za pojedine uređaje (Driver).

POMOĆNI PROGRAMI, za obavljanje specifičnih zadaća kao antivirus programi, priprema novog diska ili diskete za prihvat podataka, kopiranje datoteka ili diska i drugi. Kako te komande nisu odmah na raspolaganju korisniku veće se prethodno moraju s diska učitati u radnu memoriju kako bi se izvršile nazivaju se PROLAZNE ili VANJSKE (Tranzient, External).

Kod nas su vrlo rasprostranjena računala tipa IBM PC utemeljena na Intelovim mikroprocesorima koja koriste OS tipa MS-DOS i Microsoft Windows. Korisnik u suštini radeći na svom PC svoje svakodnevne zadaće vrlo malo koristi resurse operativnog sustava već se radije služi nekom pristupačnijim okruženjem - školjkom (shell), koja u suštini koristi komande operativnog sustava ali je jednostavnija za uporabu u odnosu na puko utipkavanje komandi operativnog sustava. Windows-i nisu ništa drugo do jedna vrlo učinkovita grafička školjka.

Kada se računalo na monitoru oglasi spremnošću za rad, na primjer sa treptajućim poljem u tekst modu nazvanim KAZALO (Cursor), ili sa strelicom miša na ekranu monitora nazvanom POKAZIVAČ (Pointer) u grafičkom modu, kao što je prikazano na slici 4.4.3, moguće se zadavati komande ili naredbe računalu utipkavanjem imena datoteke i potrebitih argumenata prema sintaksi sustava ili poklapanjem pokazivača miša s OBJEKTOM na zaslonu monitora i pritiskom na jednu od tipki miša. Naravno rad s mišem je brži i jednostavniji ali podrazumijeva složeniji operativni sustav.

Na slici 3.2.2 prikazano je kako operativni sustav u cijelosti okružuje sklopovlje i BIOS. No kod većine operativnih sustava koji se koriste danas moguće je i iz korisničke programske potpore dohvatiti elemente BIOS-a (slika 3.4.4-a).

Slika 3.4.4 Razina OS kod različito koncipiranih sustava.

Organizacija prikazana na slici 3.4.4-a omogućiti će da korisnički programi direktno dohvate potrebite resurse sklopovlja sa čime se omogućava ubrzavanje njihovog izvršavanja, kao kod igara na primjer, ali sustav na slici 3.4.4-b to neće dozvoliti te potpora pisana za sustav prikazan na slici 3.4.4-a neće raditi na sustavu prema organizaciji na slici 3.4.4-b iako su sustavi istorodni kao MS-DOS i MS-Windows na primjer. Svojevremeno je IBM ponudio OS/2 operativni sustav koji je koristio navedena načela, ali je isti potpuno istisnut od strane Windows operativnih sustava zbog IBM-ove loše poslovne politike glede licenčnih prava i 'jadnog' marketinga. Ono što je IBM nudio tada Microsoft je ostvario tek s Windows XP operativnim sustavom. IBM nije jedini koji je uspio sam 'upropastiti' svoj dobar proizvod.

Potpuno 'pokrivanje' sklopovlja s operativnim sustavom ima pak drugu nemjerljivu prednost. Isti operativni sustav može se uporabiti na različitom sklopovlju uz izmijenjenu JEZGRU (KERNEL) operativnog sustava i različita računala ponašati će se JEDNAKO prema korisniku. Takav operativni sustav je na primjer Windows NT firme Microsoft, koji je predviđen da radi na računalima zasnovanim na INTEL porodici mikroprocesora, ALPHA porodici mikroprocesora i još ponekim. LINUX je odličan primjer operativnog sustava koji funkcionira na raznolikim platformama. Slična nastojanja žele se ostvariti i uporabom jedinstvenog jezičkog procesora, koji bi objedinio izradu korisničke potpore za različite računalne platforme, kao projekt razvijen od firme SUN MICROSYSTEMS pod nazivom JAVA, koji bi omogućio osim izrade korisničke programske potpore i prenošenje aplikacija mrežom i izvršavanje na lokalnom računalu.

Dakle, prema slici 3.4.4 operativni sustav djeluje kao sloj veze između korisničke programske potpore i sklopovlja računala. Izvršavanje programa u stvari je stvaranje PROCESA od strane operativnog sustava, koji se odvijaju u njegovoj JEZGRI (Kernel) na osnovu INSTRUKCIJA programa. Proces podrazumijeva izvršavanje logičkih operacija, dohvat radne memorije i alociranje potrebnog prostora u njoj ili obavljanje zadaća u skladu s funkcijom sklopovlja računala kao na primjer način pristupa i zapisivanja datoteka na disk (DATOTEČNI SUSTAV) i odvija se prema dodijeljenom mu prioritetu. Uobičajeno, datotečni sustav je hijerarhijski organizirana struktura kojoj su nositelji imenici (directory, folder, map) u kojima su njima pripadne datoteke (file) ili njihovi vlastiti imenici (podimenici). Imenik može biti jedna obična datoteka s popisom datoteka koje mu pripadaju, a svaka od datoteka uz sam naziv ima dio za vlastite atribute (Unix operativni sustavi i njima slični), a imenik može biti i specijalizirana datoteka koja sadrži imena datoteka i sve njihove atribute (Windows operativni sustavi i slični), ili je pak organizacija izvedena na neki drugi način.

Različite jezgre za različite sklopovske platforme i datotečne sustave omogućavaju da ista arhitektura operativnog sustava počiva na jezgri koja je prilagođena mogućnostima i instrukcijama različitih mikroprocesora i ostalim sklopovima u sustavu, a u skladu s tim obrađuju se 8, 16, 32 ili 64 bit-ne instrukcije i podaci sukladno tipu procesora. Upravo veličina instrukcije ili podatak u bit-ovima određuje osnovnu koncepciju jezgre i njene mogućnosti, a time i skupinu kojoj operativni sustav pripada. Proporcionalno broju uporabljenih bit-a za instrukciju ili obradivi podatak i adresiranje radne memorije računala proporcionalna je moć operativnog sustava. Više bit-a u osnovi znači rukovanje većim brojevima i veći memorijski raspon. Vrste instrukcija koje jezgra obrađuje prema vrsti procesora određuju tehnološku pripadnost ali ne i moć operativnog sustava. Jezgra operativnog sustava za jednu vrstu procesora nije ista kao za jezgra istog operativnog sustava za drugu, ali programska potpora u cjelini 'vidi' isto sučelje koje nudi operativni sustav. Uz navedeno, performanse procesora izravno utječu na moć računalnog sustava po broju obrađenih instrukcija u jedinici vremena.

Uobičajeno broj bita-a koji se koriste za instrukcije i podatke odgovora broju bit-a koji služe za adresiranje radne memorije računala, iako se kod poslužiteljskih platforme može naići na koncept kod kojeg je broj bit-a koji se koristi za adresiranje memorije veći od broja bit-a za instrukcije. Kako su rasle sklopovske mogućnosti i potrebe korisnika za učinkovitijom programskom potporom, tako se je tijekom razvoja mikroprocesora i ostalog sklopovlja računala, operativnih sustava i programske potpore koristio različit broj bit-a. Na osobnim računalima opće namijene 80' godina prošlog stoljeća prevladali su 16 bit-ni sustavi, na kraju 90' godina 32-bitni sustavi uobičajeni su na svim osobnim korisničkim sustavima, a u prvom desetljeću ovog milenija svakodnevna uporaba 64-bitnih operativnih sustava postaje uobičajena praksa. Poslužiteljske i super-računalne platforme kategorija su za sebe i u ovom udžbeniku se neće obrađivati. Tako je, na primjer, jedna skupina Sun-Solaris OS dizajnirana na 128 bit-noj osnovi.