Персональный компьютер состоит из аппаратных и программных компонентов. К последним относятся:

Операционная система (Operating System, далее ОС) сокращает взаимодействие пользователя непосредственно с аппаратурой. ОС призвана облегчить пользование компьютером, позволяя запускать пользовательские программы и помогая разрешать конфликтные ситуации. Прикладное программное обеспечение - различные прикладные программы, с помощью которых пользователь выполняет работу на компьютере.

Рисунок 2‑1. Программные и аппаратные компоненты компьютера (Источник: Learning Materials for Information Technology Professionals (EUCIP-Mat))

Рисунок 2‑2. Предоставление аппаратных ресурсов приложениям (Источник: Learning Materials for Information Technology Professionals (EUCIP-Mat))

ОС предоставляет прикладным программам специальный интерфейс для обращения к аппаратным компонентам. Специфика самого обращения, а также управление аппаратными ресурсами и предотвращение конфликтных ситуаций являются задачами операционной системы.

К типичным функциям ОС персонального компьютера относятся:

• Пользовательская среда для работы с устройствами
• Автоматическая настройка устройств ввода/вывода
• Программный интерфейс обращения к устройствам
• Среда создания приложений
• Распределение ресурсов (ЦПУ, ОЗУ, файловая система, итд.)
• Поддержка компьютерных сетей (протоколы, веб-обозреватель)
• Средства безопасности (аутентификация, сетевой экран, ACL файловой системы, шифрование, настройка пользовательских ограничений и установки).

Современные ОС должны идти в ногу с новым аппаратным и программным обеспечением и соответствовать новым требованиям безопасности. Со стороны аппаратуры, развитие ОС обусловлено быстрым развитием многопроцессорных систем, высокими тактовыми частотами и более вместительными носителями информации, а со стороны программ - развитием мультимедийных приложений, Интернета и сетей, клиент/серверных приложений и виртуализацией.

Ввиду этого, работу по развитию ОС можно разделить на следующие категории:

• Миркоядерная архитектура (Microkernel architecture) - компактное ядро, к которому подключаются дополнительные компоненты.
• Многопоточность (Multithreading) - позволяет разбивать процессы на потоки, выполняющиеся параллельно.
• Симметричная многопроцессорная обработка (Symmetric multiprocessing) - процессоры делят основную память и устройства ввода/вывода и могут в равной степени исполнять все процессы.
• Объектно-ориентированный дизайн - упрощает добавление компонентов к микроядру, разработку инструментов и отладку самой ОС.
• Монитор виртуальных машин (Hypervisor) - программа, встроенная в слой между аппаратурой и ядром, позволяющая одновременное выполнение нескольких операционных систем на одном и том же компьютере.

Основные компоненты операционной системы объединены в единственную программу, называемую ядром. Ядро может быть крупным монолитным. В этом случае ядро содержит всё необходимое для функционирования ОС - планировщик, файловую систему, поддержку сети, драйверы, управление памятью итд. Микроядро, напротив, обеспечивает лишь основные функции, такие как планирование процессов, межпроцессное взаимодействие, обработка прерываний и исключений, синхронизацию в многопроцессорной системе. Микроярдо также содержит процедуры и базовые объекты, которыми могут пользоваться компоненты, работающие в режиме ядра. Операционные системы Microsoft Windows являются модульными, в них применён подход, схожий с микроядерной архитектурой. В ОС Linux применена архитектура монолитного ядра. Вокруг ядра Windows сосредоточены работающие в режиме ядра компоненты, предоставляющие все услуги ОС, такие как управление памятью, управление процессами и потоками, безопасность, ввод/вывод, сеть, межпроцессную коммуникацию и функции графического пользовательского интерфейса. В режиме ядра работают и драйверы, преобразующие команды ввода/вывода в специфичные запросы аппаратного ввода/вывода. Компоненты, работающие в режиме ядра, должны быть особенно хорошо протестированы, а драйверы - совместимы с ОС, так как сбои в их работе приведут к нестабильности всю ОС.

Для защиты от пользовательских приложений, ОС использует разные режимы работы процессора. Пользовательские программы запускаются в пользовательском режиме (User Mode), а служебные приложения самой ОС (системные службы и драйверы устройств) - в режиме ядра (Kernel Mode или Supervisor Mode). Приложения, запущенные в режиме ядра, являются привилегированными в том смысле, что имеют доступ ко всем командам процессора и всему адресному пространству. Применение разных режимов работы позволяет избежать ситуаций, когда неправильно работающая пользовательская программа ставит под угрозу стабильность всей системы.