System operacyjny – zadania, systemy plików, Linux

System operacyjny pośredniczy między sprzętem a programami. Bez niego każda aplikacja musiałaby sama obsługiwać dysk, kartę graficzną i klawiaturę – i to w wersji specyficznej dla konkretnego modelu.

Jego zadania dzielą się na kilka obszarów. Zarządzanie procesami decyduje, który program dostaje czas procesora i na jak długo, dzięki czemu wiele aplikacji działa pozornie jednocześnie. Zarządzanie pamięcią przydziela każdemu programowi obszar RAM i pilnuje, żeby jeden nie wszedł w pamięć drugiego.

Zarządzanie plikami organizuje dane w katalogach i kontroluje uprawnienia dostępu. Obsługa urządzeń realizowana jest przez sterowniki, które tłumaczą ogólne polecenia na język konkretnego sprzętu. Osobnym zadaniem jest interfejs użytkownika – graficzny albo tekstowy.

Cztery zasady wystarczą, żeby odpowiedzieć na większość pytań o system operacyjny:

• System to zbiór programów, nie jeden plik i nie komputer. Klucz maturalny mówi wprost: zbiór programów zarządzających pracą komputera. Nie jest to ani program do obliczeń, ani narzędzie wyłącznie do formatowania i kopiowania.
• System jest warstwą pośredniczącą. Aplikacja nie rozmawia z dyskiem ani z drukarką bezpośrednio – prosi o to system, a system wykonuje prośbę przez sterownik. Dlatego ten sam edytor tekstu działa na komputerach z różnym sprzętem.
• System nie ma jednego, obowiązkowego miejsca zamieszkania. Nie musi siedzieć w pamięci ROM ani na twardym dysku: bywa uruchamiany z pendrive'a, z płyty czy z sieci, a na jednym dysku mogą stać obok siebie dwa systemy.
• System działa cały czas, nie tylko przy starcie. Po uruchomieniu komputera nieustannie przydziela czas procesora, pamięć i dostęp do urządzeń każdemu działającemu programowi.

Sam start komputera – układ BIOS/UEFI, test POST i kolejność rozruchu – należy jeszcze do sprzętu. Rola systemu zaczyna się w chwili, gdy firmware odnajdzie nośnik z systemem i odda mu sterowanie; od tego momentu to system decyduje o wszystkim, co dzieje się w komputerze.

Oprogramowanie dzieli się na dwie grupy, o które często pytają:

• systemowe – system operacyjny, sterowniki, narzędzia diagnostyczne; obsługuje sprzęt
• użytkowe – edytor tekstu, przeglądarka, arkusz kalkulacyjny; wykonuje zadania użytkownika

Pomiędzy nimi bywa umieszczane oprogramowanie narzędziowe, na przykład archiwizatory czy programy do defragmentacji.

Proces to nie to samo co program. Program jest plikiem na dysku – zbiorem instrukcji, które nic nie robią, dopóki ich ktoś nie uruchomi. Proces to uruchomiona kopia programu: kod wczytany do pamięci operacyjnej, własny obszar danych i wpis na liście zadań systemu. Z jednego pliku może powstać wiele niezależnych procesów, dlatego trzy okna tej samej przeglądarki bywają na liście trzema pozycjami. Zamknięcie okna kończy proces, ale nie usuwa programu z dysku.

Wielozadaniowość polega na przełączaniu, nie na równoczesności. Pojedynczy rdzeń procesora wykonuje w danej chwili instrukcje jednego procesu. System przydziela kolejnym procesom krótkie odcinki czasu i przełącza je tak szybko, że użytkownik widzi płynną pracę wielu programów naraz. Przy każdym przełączeniu zapamiętuje, w którym miejscu proces został przerwany, żeby wznowić go dokładnie stamtąd.

Przydział pamięci działa podobnie. Każdy proces dostaje własny obszar pamięci operacyjnej i widzi go tak, jakby był sam w komputerze. System pilnuje granic: proces, który sięgnie poza swój obszar, zostaje zatrzymany, zamiast uszkodzić dane sąsiada. Gdy wolnej pamięci zaczyna brakować, system przenosi rzadziej używane fragmenty na dysk i zwalnia miejsce w RAM-ie. Ten mechanizm nazywa się pamięcią wirtualną; różnice między RAM-em, ROM-em a dyskiem opisuje hasło o rodzajach pamięci, tutaj ważne jest, kto tym zarządza – robi to system, a nie program i nie użytkownik.

Obsługa urządzeń idzie przez sterowniki. System zna ogólne pojęcia: drukuj, zapisz blok danych, odczytaj klawisz. Szczegółów konkretnego modelu drukarki nie zna, więc korzysta ze sterownika od producenta, który tłumaczy ogólne polecenie na rozkazy tego urządzenia. Dlatego po podłączeniu nowego sprzętu system prosi czasem o sterownik, a każdy program od razu potrafi na nim drukować – korzysta z gotowej obsługi systemu.

Ostatnim obszarem są konta i uprawnienia. System rozpoznaje, kto pracuje, i na tej podstawie rozstrzyga, do których plików i ustawień jest dostęp: administrator zmienia ustawienia całego komputera, zwykły użytkownik – tylko własne pliki.

System plików określa, jak dane są zorganizowane na nośniku – gdzie leży zawartość pliku, gdzie jego nazwa, uprawnienia i data modyfikacji. Bez niego dysk byłby ciągiem bajtów bez struktury. Ten spis prowadzi i aktualizuje system operacyjny.

FAT32 jest stary i prosty. Jego największa zaleta to zgodność – odczyta go praktycznie każde urządzenie, od telewizora po konsolę. Ma jednak twarde ograniczenie: pojedynczy plik nie może przekroczyć 4 GB. To dlatego skopiowanie filmu na pendrive'a czasem kończy się błędem mimo wolnego miejsca.

NTFS to standard Windowsa. Nie ma praktycznych limitów rozmiaru, obsługuje uprawnienia dostępu, szyfrowanie, kompresję i księgowanie operacji, które chroni przed uszkodzeniem struktury po nagłym zaniku zasilania.

exFAT jest kompromisem: nie ma limitu 4 GB, a jednocześnie odczytują go różne systemy. To domyślny wybór dla dużych pendrive'ów i kart pamięci.

Warto znać pojęcie klastra – najmniejszej jednostki miejsca przydzielanej plikowi. Plik o rozmiarze 1 bajta i tak zajmie cały klaster, stąd różnica między „rozmiarem" a „rozmiarem na dysku".

Formatowanie to utworzenie na nośniku struktury wybranego systemu plików. Nie jest tym samym co usuwanie: buduje spis od nowa na całym nośniku, podczas gdy skasowanie pliku tylko wykreśla jedną pozycję z istniejącego spisu.

Linux to jądro systemu, czyli warstwa obsługująca sprzęt, pamięć i procesy. Samo jądro nie wystarczy do pracy – dopiero połączone z zestawem programów i instalatorem tworzy dystrybucję, na przykład Ubuntu, Debiana czy Fedorę. Linux jest wolnym oprogramowaniem, więc wolno go używać, badać i modyfikować bez opłat licencyjnych.

Struktura katalogów różni się od windowsowej. Nie ma liter dysków – wszystko wyrasta z jednego korzenia oznaczonego ukośnikiem, a kolejne nośniki są montowane jako podkatalogi w tym drzewie. Katalogi domowe użytkowników leżą w /home, pliki konfiguracyjne w /etc, a programy w /bin i /usr.

Każdy plik ma tu prawa odczytu, zapisu i wykonania osobno dla właściciela, grupy i pozostałych użytkowników. Codzienna praca idzie na koncie zwykłego użytkownika, a uprawnienia administratora podnosi się tylko na czas jednego polecenia.

Tekstowy interfejs, czyli terminal, jest w Linuksie pełnoprawnym sposobem wydawania poleceń, a na serwerach bywa jedynym. Wystarczy znać kilka podstawowych:

• ls – wyświetla zawartość katalogu
• cd – zmienia katalog
• pwd – pokazuje bieżący katalog
• mkdir – tworzy katalog
• cp – kopiuje pliki
• mv – przenosi plik lub zmienia jego nazwę
• rm – usuwa pliki
• sudo – wykonuje jedno polecenie z uprawnieniami administratora

System pomylony z komputerem albo z pakietem biurowym. To najczęstsza pomyłka i wprost sprawdza ją klucz z 2006 roku: system operacyjny to zbiór programów zarządzających pracą komputera, a nie sam komputer, nie program do obliczeń i nie zestaw edytora z arkuszem. Pakiet biurowy jest oprogramowaniem użytkowym – działa dopiero na systemie i bez niego nie da się go uruchomić.

Przekonanie, że system mieszka w BIOS-ie albo w pamięci ROM. Klucz z 2016 roku odrzuca oba zdania: system nie musi być przechowywany w pamięci ROM ani na twardym dysku. Bywa uruchamiany z pendrive'a, z płyty albo przez sieć, a na jednym dysku mogą stać obok siebie dwa systemy, między którymi wybiera się przy starcie. W ROM-ie siedzi firmware, czyli BIOS lub UEFI – to on startuje komputer i oddaje sterowanie systemowi, ale sam systemem nie jest.

Proces pomylony z programem. Program leży na dysku i nic nie robi; proces to jego uruchomiona kopia w pamięci. Różnica bywa niewidoczna, dopóki nie otworzy się listy zadań – wtedy okazuje się, że jeden program ma na niej kilka pozycji. Zdanie „usunąłem proces, więc program zniknął" jest fałszywe: zakończenie procesu zwalnia pamięć, nie kasuje pliku.

Przekonanie, że program działający w tle nic nie kosztuje. Zminimalizowane okno nadal ma swój proces, a proces nadal trzyma przydzieloną pamięć i co jakiś czas dostaje czas procesora. Dlatego przy kilkunastu otwartych programach komputer zwalnia, mimo że użytkownik „nic nie robi" – system zaczyna wtedy przenosić fragmenty pamięci na dysk. Zamknięcie okna krzyżykiem kończy proces, ale ukrycie go do zasobnika systemowego już nie.

Formatowanie pomylone z usuwaniem plików. Usunięcie wykreśla plik ze spisu prowadzonego przez system plików. Formatowanie buduje ten spis od zera i pozwala przy okazji zmienić system plików, na przykład FAT32 na exFAT. Pierwsza operacja dotyczy jednego pliku, druga całej struktury nośnika.

• System operacyjny to zbiór programów zarządzających pracą komputera – warstwa między sprzętem a aplikacjami, a nie pojedynczy program ani pakiet biurowy.
• Główne zadania: uruchamianie i przełączanie programów, przydział pamięci, obsługa plików i urządzeń przez sterowniki oraz konta i uprawnienia.
• Program to plik na dysku, proces to jego uruchomiona kopia w pamięci; z jednego programu może działać wiele procesów naraz.
• System nie musi być w pamięci ROM ani na twardym dysku, a na jednym dysku mogą stać dwa systemy; w ROM-ie siedzi firmware, który tylko oddaje sterowanie.
• Gdy brakuje pamięci operacyjnej, to system przenosi jej rzadziej używane fragmenty na dysk – tym mechanizmem jest pamięć wirtualna.
• FAT32 nie zapisze pliku większego niż 4 GB; NTFS obsługuje uprawnienia i księgowanie; exFAT łączy brak limitu z dobrą zgodnością. Klaster to najmniejsza porcja miejsca przydzielana plikowi.
• Linux to jądro; dystrybucja to jądro plus programy i instalator; nie ma liter dysków – nośniki się montuje, a sudo podnosi uprawnienia dla jednego polecenia.

Zagadnienia z tego samego obszaru matury – warto je powtórzyć razem: