Операционные системы семейства Windows: основные характеристики и типы

Об операционной системе «Виндовс» знает каждый пользователь компьютера. На сегодня она считается самой распространенной, простой и удобной, ориентированной и на начинающего, и на «продвинутого» владельца. В этой статье мы предлагаем читателю кратко познакомиться со всеми операционными системами семейства Windows, начиная от самой первой и заканчивая самой современной. Представим основную информацию, отличительные характеристики версий.

О MS Windows

Windows — «Окна». Так на русский язык с английского переводится название популярной ОС.

MS Windows — название семейства проприетарных операционных семейств компании «Майкрософт», которые ориентированы на использование графического интерфейса при управлении. Надо сказать, что первоначально «Окна» были лишь графической надстройкой для MS-DOS.

В августе 2014 года Net Application предприняла масштабное статистическое исследование. По его итогам было выявлено, что 89 % персональных компьютеров в мире работают с операционными системами семейства Windows. Согласитесь, значительный показатель.

Сегодня «Виндовс» функционирует на платформах x86, x86-64, IA-64 и ARM. Ранее существовали версии для DEC Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC.

Развитие ОС

Первые версии операционных систем семейства Windows, как мы уже говорили, не были полноценными ОС. Это настойки к MS-DOS. Подобное многофункциональное расширение прибавляло новые режимы работы процессора, поддержку многозадачных операций, стандартизацию интерфейсов аппаратного обеспечения компьютера, единообразные программы для пользователей. Эта характеристика касается следующих версий:

Новый этап развития — операционные системы семейства Windows 9x: 95 и 98, 2000, МЕ.

Современный шаг развития приходится на 2001-2016 гг. Его начало считается выпуск двух версий популярной «Виндовс ХР» — корпоративной и «домашней». Затем были представлены версии «Виста», 7, 8, 10.

Рассмотрим каждую вариацию ОС подробнее.

Windows 1.0

Раскроем особенности операционной системы семейства Windows. Данная версия являлась графическим интерфейсом пользователя «Майкрософт» для ОС MS-DOS. Тут использовался принцип фреймового менеджера окон. Помогал диалогу с операционной системой, унифицировал внешний вид программ, оптимизировал работу с периферийными аппаратами.

Билл Гейтс официально анонсировал разработку в 1983 году в Нью-Йорке. Над созданием Windows 1.0 трудились 24 ученых. В розничную продажу интерфейс поступил спустя два года — в 1985-ом. В США тогда продукт стоил 99 долларов, а в Германии — 399 марок.

Один из самых существенных минусов разработки: для ее использования требовалось приобретение дорогостоящих комплектующих — новой модели процессора, мыши, объемной памяти для компьютера.

Windows 2.0

Это пополнение семейства операционных систем MS Windows увидело свет в 1987 году. Его отличали новые характеристики и возможности:

• Использование скоростного процессора Intel 286.
• Возможности для расширения памяти и взаимодействия приложений с применением DDE.
• Применение сочетаний «горячих клавиш».
• Использование многооконной среды.
• Собственный API-код.

Несмотря на все вышеперечисленное, данная операционная система не стала широко распространенной, хотя находились разработчики, писавшие под нее программы. Ее существенные минусы: слабая аппаратная часть, большие программные ограничения.

Windows 3.0

Главная характеристика операционной системы семейства Windows: это первый продукт, действительно получивший массовое распространение. Его выпуск начался в 1990 году. Объяснялось тем, что ОС устанавливалась производителями на продаваемые компьютеры.

Файловая оболочка MS-DOS в этой версии была заменена «Диспетчером программ». Использовалась также собственная надстройка: «Диспетчер файлов», применяющийся для навигации по диску.

Можно выделить и внешнее оформление. Интерфейс был псевдотрехмерным: это достигалась расширенной цветовой палитрой VGA. В этой версии уже была полнофункциональная «Панель управления». Она позволяла оперировать настройками системы и открывала совершенно новую возможность — использование изображения в качестве подложки рабочего стола.

Система помощи пользователю была организована с применением языка HTML, уже содержала в себе гиперссылки. Расширенным был и набор сопутствующего программного обеспечения:

• Текстовой редактор Wordpad.
• Графический редактор Paintbrush.
• Игры «Пасьянс-свободные ячейки», «Пасьянс-косынка», «Сапер».
• Иные утилиты.

Поддерживалось несколько режимов памяти: 16- и 32-разрядный. По словам пользователей, в плане удобства работы ОС была на равных с современными ей продуктами Apple Macintosh.

Windows 3.1

Какое достоинство операционной системы семейства Microsoft Windows версии 3.1? Это первая ОС от корпорации, имеющая поддержку русского языка, отчего получившая широкое распространение в России.

Вышла на рынок в 1992 году. Каких-то отличительных черт тут нет — 3.1 была улучшенной версией предыдущего выпуска. Добавили расширенные настройки рабочей среды, улучшили графический интерфейс, исправили ошибки и повысили стабильность работы.

Windows 95

Кодовое название этой графической операционной системы семейства Windows — «Чикаго». Она была выпущена в августе 1995 года (версия для России представлена в ноябре того же года).

В основном предназначалась для домашних компьютеров. Была гибридной: поддерживала 16- и 32-разрядные системы. Именно здесь появился рабочий стол с привычными нам значками, панели задач и «фирменное» меню «Пуск».

Windows 98

Официальный выпуск (после бета-тестирования) этой версии пришелся на 1998 год. Перечислим основные возможности, характеристику операционной системы семейства Windows:

• Улучшенная поддержка AGP.
• Доработанные драйверы для USB.
• Поддержка работы системы с несколькими мониторами.
• Первый браузер Internet Explorer.
• Поддержка Web TV.

В 1999 году была выпущена обновленная версия ОС. Ее отличал более усовершенствованный браузер, добавление поддержки DVD.

Windows 2000 и МЕ

Версия была выпущена, соответственно, в 2000 году. Ее характеризовало следующее:

• Обновленный интерфейс.
• Поддержка службы каталогов Active Directory.
• Файловая система стандарта NTFS 3.0.
• Служба IIS, представленная в версии 5.0.

В том же 2000-м вышла новая версия системы — Windows ME (Millennium Edition). Кратко представим, чем же она отличалась:

• Улучшение работы с мультимедийными средствами.
• Возможность записи как аудио-, так и видеоконференций.
• Появление средств для восстановления информации после сбоев системы.
• Отсутствие реального режима от MS-DOS.

Windows XP и Vista

ХР — самая популярная операционная система из группы «Виндовс». Имела версию как для домашних, так и для корпоративных компьютеров. Ключевые добавления:

• Улучшенный графический интерфейс.
• Быстрая смена «юзеров».
• Возможности удаленного управления ПК.
• Улучшение возможностей восстановления системы.

В 2003 году увидел свет серверный вариант ОС — Windows Server 2003. По словам его разработчиков, здесь было уделено большое внимание безопасности системы. В 2006 году появилась версия ХР для маломощных ПК под названием Windows Fundamentals for Legacy PCs (FLP).

В 2006 году корпоративным клиентам была представлена «Виста». Рядовые пользователи смогли приобрести ее «домашнюю» версию только в 2007 году. «Висту» отличало следующее:

• Новые возможности по управлению пользовательским интерфейсом.
• Обновленная подсистема управления памятью, ввода-вывода.
• Появление режима «гибернации».
• Улучшение возможностей безопасности.

Windows 7

Эта операционная система от «Виндовс» появилась на прилавках магазинов в 2007 году. Давайте посмотрим на ее отличительные характеристики:

• Поддержка «Юникод 5.1».
• Возможность мультитач-управления.
• Появление 50 новых шрифтов вдобавок к доработанным стандартным.
• Поддержка псевдонимов папок на внутреннем уровне.
• Тесная интеграция с изготовителями драйверов.
• Совместимость с рядом старых приложений, чей запуск был невозможен на «Виста».
• Новый интерфейс стандартного мультимедиа-проигрывателя.
• Поддержка нескольких мониторов, расширений мультимедиа, возможность воспроизведения аудиофайлов с низкими задержками.

Windows 8

Данная версия появилась в продаже в 2012 году. По статистике, находится на втором месте по распространенности в мире (после 7-й версии).

Нововведения тут следующие:

• Вход в систему при помощи учетной записи «Майкрософт».
• Два новых метода для аутентификации пользователя.
• Появления магазина приложений для ОС.
• Новая версия интернет-браузера: в настольном и сенсорном варианте.
• Возможность восстановления и сброса системы.
• Новый «Диспетчер задач».
• Появление опции «Семейная безопасность».
• Новая панель управления, изменение экрана приветствия.
• Усовершенствованная система поиска.
• Удобное переключение раскладок клавиатуры.

Windows 10

Новейшая на сегодня версия операционной системы вышла в свет в июле 2015 года. Вот ее ключевые отличия от предыдущих:

• Модификация меню «Пуск»: представлено в виде настраиваемых пользователем плиток.
• Изменение размера «Пуска».
• Новые возможности использования магазина приложений.
• Появление «Центра уведомлений».
• Обновленный календарь, часы, батарейный индикатор (для ноутбуков).
• Современные окна с новой анимацией.
• Обновленные интерфейсы приветствия и блокировки.

На этом заканчивается наш обзор операционных систем «Виндовс». Возможно, уже в ближайшем будущем список дополнится новой версией.

Создание ОС Windows. Структура ОС Windows

В данной лекции говорится о наиболее важных этапах создания ОС Windows наряду с эволюцией операционных систем, структуре системы, а также вводятся некоторые ключевые понятия.

Из курсов по теории ОС (см., например, [ Карпов ] , [ Столлингс ] ) известно, что операционная система является базисной системной программой. Обычно аппаратно- программное обеспечение типовой вычислительной системы представляют в виде набора слоев ( рис. 1.1), при этом операционной системе соответствует слой между оборудованием компьютера и остальным программным обеспечением. Такое расположение позволяет ОС обеспечивать возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом путем создания среды для функционирования и разработки прикладных программ.

Дружественный интерфейс между пользователем и компьютером достигается за счет абстрагирования, которое является важным методом упрощения и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле об ОС говорят, что операционная система является абстрактной или виртуальной машиной, с которой иметь дело гораздо удобнее, нежели с низкоуровневыми элементами компьютера

Альтернативный взгляд на ОС дает представление об ОС как о менеджере ресурсов, который осуществляет упорядоченное и контролируемое распределение процессоров, памяти и других ресурсов между различными программами.

Краткая история создания ОС Windows

Первая версия описываемого ряда операционных систем — ОС Windows NT появилась в 1993 г. Краткий исторический экскурс позволяет объяснить ряд ее особенностей и отличительных черт.

Наиболее важные моменты эволюции операционных систем

Известно ( [ Карпов ] ), что операционные системы приобрели современный облик в период развития третьего поколения вычислительных машин, то есть с середины 60-х до 1980 года. В это время существенное повышение эффективности использования процессора было достигнуто за счет реализации многозадачности, в том числе вытесняющей ( preemptive ) многозадачности. Для поддержки псевдопараллельной работы нескольких программ и асинхронного режима работы внешних устройств в составе вычислительных систем были реализованы следующие программно-аппаратные новшества и подсистемы:

• Внедрение защитных механизмов. Защита памяти позволяет изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а появление привилегированных и непривилегированных команд — проконтролировать доступ к распределению ресурсов.
• Реализация прерываний, оповещающих ОС о произошедших асинхронных событиях, например, о завершении операции ввода-вывода.
• Поддержка совокупности системных вызовов для организации интерфейса между прикладной программой и ОС.
• Реализация дисциплины планирования для организации очереди из программ в памяти и выделение процессора одной из программ.
• Обеспечение возможности сохранения с последующим восстановлением содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения программы, при переключении процессора с одной программы на другую.
• Реализация стратегии управления памятью — чтобы упорядочить процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти.
• Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям пользователей.
• Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.

К этому же периоду эволюции относится идея создания семейств программно совместимых машин различной архитектуры, работающих под управлением одной и той же операционной системы. Прошедший первую апробацию на IBM-360 данный процесс имеет результатом привычную на сегодня картину работы ОС Windows или Linux на компьютерах самой разной архитектуры.

В период четвертого поколения вычислительных машин (с 1980 г. до настоящего времени) наступила эра персональных компьютеров (ПК) с дружественным интерфейсом. Первоначально ПК имели ограниченные возможности и предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т.п.). Однако, по мере расширения возможностей ПК, рост сложности и разнообразия задач, решаемых на них, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем.

Онтогенез повторяет филогенез

В книге Таненбаума справедливо отмечено, что развитие операционных систем иллюстрирует известное из биологии правило «Онтогенез повторяет филогенез» — то есть развитие зародыша (онтогенез) повторяет эволюцию видов. Соответственно, каждый новый вид компьютера (мэйнфрейм, мини-компьютер, персональный компьютер, встроенный компьютер, смарт-карта и т.д.) проходит через одни и те же стадии развития. По мере совершенствования архитектуры, программирование на ассемблере сменяется программированием на языках высокого уровня. Затем компьютер обрастает дополнительным оборудованием, средствами поддержки многозадачности, простые операционные системы заменяются все более сложными. Попутно появляются централизованные файловые системы, виртуальная память и другие атрибуты полноценных операционных систем. Такой взгляд на эволюцию компьютерных архитектур имеет известную предсказательную силу. В частности, можно считать, что операционные системы Microsoft, начиная от MS-DOS и кончая современными версиями Windows, развивались по схожему сценарию.

Архитектурные особенности операционных систем.

В настоящее время подавляющее большинство операционных систем имеет так называемый монолитный дизайн. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитное ядро — это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур.

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой ( microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра , называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью. Остальные компоненты взаимодействуют путем обмена сообщениями в рамках архитектуры клиент-сервер (см. рис. 1.2).

Создание ОС Windows

Как уже отмечалось, эволюция операционных систем Microsoft является хорошей иллюстрацией тезиса о повторении онтогенезом филогенеза.

Операционные системы корпорации Microsoft можно условно разделить на три группы:

• MS-DOS и MS-DOS+Windows 3.1,
• так называемые потребительские ( consumer ) версии Windows (Windows 95/98/Me)
• и предмет данного курса — линия ОС, ведущих свое начало от Windows NT (Windows NT/2000/XP/Vista).

Однозадачная 16-разрядная ОС MS-DOS была выпущена в начале 80-х годов и затем широко применялась на компьютерах с процессором x86. Вначале MS-DOS была довольно примитивна (деградация ОС), ее оболочка занималась, главным образом, обработкой командной строки, но в последующие версии было внесено много улучшений, заимствованных, главным образом, из ОС Unix. Затем под влиянием успехов дружественного графического интерфейса корпорации Apple для компьютеров Macintosh была разработана система Windows. Особенно широкое распространение получили версии Windows 3.0, 3.1 и 3.11. Первоначально это была не самостоятельная ОС, а скорее многозадачная (с невытесняющей многозадачностью) графическая оболочка MS-DOS, которая контролировала компьютер и файловую систему.

В 1995 г. была выпущена 32-разрядная ОС Windows 95, где была реализована вытесняющая многозадачность. ОС Windows 95 включала большой объем 16-разрядного кода, главным образом для обеспечения преемственности с приложениями MS-DOS. 16-разрядный код присутствовал и в последующих версиях этой серии Windows 98 и Windows Me. Другой проблемой данной версии Windows, во многом обусловленной той же причиной, была нереентерабельность существенной части кода ядра. Так, если один из потоков был занят модификацией данных в ядре, другой поток, чтобы не получить эти данные в противоречивом состоянии, вынужден был ждать, то есть не мог воспользоваться системными сервисами . Это, зачастую, сводило на нет преимущества многозадачности.

ОС Windows NT (New Technology) — новая 32-разрядная ОС, совместимая с предшествующими версиями Windows по интерфейсу. Работу над созданием системы возглавил Дэвид Катлер, один из ключевых разработчиков ОС VAX VMS . Ряд идей системы VMS присутствует в NT (см рис. 1.3). Заметна преемственность в системе управления большим адресным пространством и резидентным множеством процесса, в системе приоритетов обычных процессов и процессов реального времени, в средствах синхронизации и т.д. Вместе с тем Windows NT — это совершенно новый амбициозный проект разработки системы с учетом новейших достижений в области архитектуры микроядра. Первая версия, названная Windows NT 3.1 для соответствия популярной Windows 3.1, была выпущена в 1993 г. Коммерческого успеха добилась версия Windows NT 4.0, заимствовавшая графический интерфейс Windows 95. В начале 1999 г. была выпущена Windows NT 5.0, переименованная в Windows 2000. Следующая версия этой ОС данной серии — Windows XP появилась в 2001 г., а Windows Server 2003 — в 2003 г. В настоящее время выпущена Windows Vista, ранее известная под кодовым именем Longhorn, — новая версия Windows, продолжающая линейку Windows NT.

Объем исходных текстов ядра ОС Windows неизвестен. По некоторым оценкам, объем ядра Windows NT 3.5 составляет приблизительно 10Мб, а с каждой новой версией ОС Windows этот объем неуклонно увеличивается в полтора-два раза.

Возможности системы

Перед разработчиками системы была поставлена задача создать операционную систему персонального компьютера, предназначенную для решения серьезных задач, а также для домашнего использования. Перечень возможностей системы достаточно широк, вот лишь некоторые из них [ Руссинович ] , [ Рихтер ] . Операционная система Windows:

• является истинно 32-разрядной, поддерживает вытесняющую многозадачность;
• работает на разных аппаратных архитектурах и обладает способностью к сравнительно легкому переносу на новые аппаратные архитектуры;
• поддерживает работу с виртуальной памятью;
• является полностью реентерабельной;
• хорошо масштабируется в системах с симметричной мультипроцессорной обработкой;
• является распределенной вычислительной платформой, способной выступать в роли как клиента сети, так и сервера;
• защищена как от внутренних сбоев, так и от внешних деструктивных действий. У приложений нет возможности нарушить работу операционной системы или других приложений;
• совместима, то есть, ее пользовательский интерфейс и API совместимы с предыдущими версиями Windows и MS-DOS. Она также умеет взаимодействовать с другими системами вроде UNIX, OS/2 и NetWare;
• обладает высокой производительностью независимо от аппаратной платформы;
• обеспечивает простоту адаптации к глобальному рынку за счет поддержки Unicode;
• поддерживает многопоточность и объектную модель.

Успешность реализации этих требований будет продемонстрирована по мере изучения деталей ОС Windows. В рамках курса будут введены и впоследствии уточнены и детализированы различные понятия и термины.. Некоторые из них приведены в приложении.