Тема 2. Управление данными в операционных системах

Управление данными включает в себя следующие задачи:

1. Долговременное планирование – организация размещения данных на внешних носителях, их выбора и предоставление пользователям программ.

2. Оперативное управление – распределение оперативной памяти под программы и данные, реализация обмена данными между оперативной памятью и внешней памятью.

3. Управление внешними устройствами ввода-вывода и устройствами внешней памяти.

Внешние устройства ПК.

Основными внешними устройствами ПК являются:

1. Монитор.

2. Клавиатура.

3. Сканер.

4. Накопитель на жестких магнитных дисках.

5. Накопитель на оптических дисках.

6. Принтер.

Интерфейс внешнего устройства.

Интерфейс внешнего устройства – это система обмена информацией между внешним устройством и процессором ПК. Понятие интерфейса ВУ включает в себя наличие в компьютерной системе следующих элементов:

1. Порт ВУ – это разъем, установленный на системной плате или на системном блоке. С помощью этого разъема внешнее устройство подключается к системной шине ПК. Системная шина ПК – это система электрических проводников, с помощью которых процессор обменивается электрическими сигналами с внешними устройствами.

2. Контроллер ВУ – это специализированная микросхема, расположенная на системной плате, во внешнем устройстве или реализованная в виде отдельного устройства. Контроллер ВУ управляет передачей электрических сигналов через порт ВУ, которыми обмениваются процессор и внешнее устройство. Контроллер ВУ, реализующий сложный алгоритм управления и содержащий в себе вычислительное устройство и внутреннюю оперативную память называется адаптер. Адаптер, выполняющий сложное преобразование электрических сигналов из одной формы в другую называется модем.

3. Протокол обмена данными ВУ – это правила обмена данными между процессором и внешним устройством посредством электрических сигналов с использованием контроллера ВУ.

4. Драйвер ВУ – это специализированная программа, под управлением которой выполняется протокол обмена данными.

Для обеспечения связи между процессором и внешними устройствами в составе ПК Драйверы устройств могут входить в состав ОС или дополнительно устанавливаться с внешних носителей.

Файлы и циклы обработки.

Файл – это набор данных определенного типа на внешнем носителе, состоящий из множества записей одинаковой структуры.

Цикл обработки файла включает в себя следующие операции:

1. Открытие файла. Открытие файла предусматривает следующие этапы: 1 - поиск файла на внешнем запоминающем устройстве, 2 – создание в оперативной памяти блока управления файлом FCB, в котором записывается справочная информация о состоянии файла, 3 – создание в оперативной памяти буферной области передачи данных DTA для хранения текущей и обрабатываемой записи файла.

2. Обработка каждой записи файла. Эта операция предусматривает следующие этапы: 1 – чтение записей, 2 – редактирование записей, 3 – создание новых записей.

3. Закрытие файла. Эта операция предусматривает следующие этапы: 1 – внесение всех окончательных изменений в файл и его реквизиты, 2 – освобождение оперативной памяти, отведенной под файл.

Файловые системы.

Операционная система создает на каждом диске совокупность системных данных, которая называется файловой системой. Файловая система отвечает за размещение файлов и папок на диске.

Файловая система создается при разметке диска, затем она конфигурируется ОС при текущей работе, в процессе создания, удаления и модификации файлов пользователя, содержащих программы и данные.

Разметка диска.

Разметка диска предусматривает выполнение следующих операций: создание разделов, создание логических дисков в разделе, форматирование логических дисков.

Жесткий диск можно разбить на несколько разделов. Стандартным разбиением считается разбивка жесткого диска на два раздела – Основной и Дополнительный. Операционная система устанавливается в основной раздел. Дополнительный раздел используется для размещения различных файлов пользователей. При такой организации, в том случае, если в системном разделе возникнут неисправности, на информации, находящейся в дополнительном разделе это никак не отразиться. На ПК могут устанавливаться несколько операционных систем, при этом каждая ОС устанавливается в отдельном разделе.

В каждом разделе может создаваться несколько логических дисков. Логические диски определяются в файловой системе как отдельные устройства и имеют собственное имя. Кроме того, используя специальную технологию RAID можно объединять несколько отдельных жестких дисков в один логический диск. Эта технология применяется в мощных серверах, использующихся для обработки видео или в качестве архивов-библиотек.

Для разбивки и форматирования жестких дисков используют специализированные программы – утилиты. Утилиты – это программы, предназначенные для выполнения функций по обслуживанию ПК. К наиболее популярным утилитам по разметке диска относятся: Partition Magic, Acronis, Ghost.

Partition Magic – эта утилита позволяет выполнять не только разбивку диска, но и большое количество операций с дисковым пространством (разбивка логических дисков, соединение логических дисков в один, перемещение логических дисков по разным областям дискового пространства и т.д.).

Acronis – эта утилита отличается тем, что позволяет делать образ логического диска либо в виде файла, либо в скрытой области дискового пространства. При выходе из строя логического диска, его всегда можно восстановить из образа, и тем самым быстро восстановить работоспособность ПК.

Ghost – эта утилита отличается тем, что позволяет делать образ всего жесткого диска со всеми разделами и логическими дисками. Такой образ становится образом всей компьютерной системы. Используя образ компьютерной системы можно быстро залить этим образом жесткие диски нескольких ПК и организовать множество ПК с одинаковой системой.

Устройство жесткого диска содержит несколько дисков. Каждый диск имеет две поверхности. На каждую поверхность нанесен слой из магнитного материала. Над каждой поверхностью перемещается магнитная головка, которая записывает информацию на магнитную поверхность или считывает информацию с этой поверхности. Магнитная головка преобразует воздействие магнитного поля от поверхности в электрический сигнал, который передается затем на контроллер жесткого диска.

На физическом уровне поверхность магнитного диска разбита на концентрические окружности - дорожки, которые в свою очередь делятся на секторы. Сектор – это минимальный физический объем диска, который может быть занят данными. Размер сектора составляет 512 байт. В результате операции форматирования логических дисков на нем создаются участки, которые называются кластеры. Кластеры объединяют в себе несколько секторов. Число секторов в кластере, а стало быть, и его размер, зависят от объема жесткого диска и типа файловой системы.

Таким образом, файловая система включает в себя совокупность кластеров на диске, каждый из которых имеет свой номер, так называемый адрес.

Дорожки с одинаковыми номерами на разных сторонах диска объединяются в цилиндры.

Адрес кластера состоит из 3 чисел:

1. № цилиндра – S.

2. № поверхности - P.

3. № кластера на дорожке - N.

Файловая система FAT32.

Файловая система FAT32 используется при форматировании логических дисков, предназначенных для размещения данных пользователя. Каждый элемент файловой системы имеет размерность в 32 бита. Файловая система отличается хорошим быстродействием, но имеет невысокую степень надежности.

В кластерах файловой системы размещаются файлы, которые записываются на диск.

Файловая система включает в себя таблицу параметров MBR, программу начальной загрузки и 2 таблицы содержания FAT.

В таблице MBR основные физические параметры файловой системы: количество цилиндров, количество поверхностей, количество кластеров на дорожке и т.д.

Программа начальной загрузки обеспечивает загрузку ПК после его включения и обеспечивает запуск ОС.

Файловая система FAT32 содержит 2 копии таблицы содержания FAT. Одна копия является рабочая, вторая резервная. Если рабочая копия по какой-то причине выходит из строя, то она заменяется заведомо исправной резервной копией. Такая организация файловой системы позволяет повысить надежность операционной системы при возникновении сбоев.

Таблица содержания состоит из 4 областей:

1. Область файлов.

2. Область переполнения.

3. Область свободных кластеров.

4. Область сбойных кластеров.

Область файлов.

В этой таблице указываются имена файлов и номера кластеров, выделенных для размещения файлов.

Имя файла	№ блока
File 1	1	3	7	5	13
File 2	41	8
File 3
File 4	3

Область переполнения.

Это дополнительная таблица аналогичной структуры, в которую записываются номера кластеров особо длинных файлов.

Имя файла	№ блока
File 1	23

Область свободных кластеров.

В этой таблице находится необходимая информация для размещения создаваемых или расширяемых файлов.

Список включает все свободные кластеры, кроме поврежденных, а затем корректируется при создании, удалении или модификации файлов.

№ блока	2	4	6	9	10	11	12
№ блока	13

Область сбойных кластеров.

Это таблица где регистрируются поврежденные кластеры, и предназначенная для предотвращения использования испорченных областей на магнитном носителе под файлы данных.

№ блока

12

24

7

Анализ примера файловой системы.

File 1 – занимает 6 кластеров, причем 6 кластер, имеющий номер 23, размещен в таблице переполнения.

File 2 – имеет небольшой размер и занимает 2 кластера, поэтому вся информация содержится в области файлов.

File 3 – не содержит ни одного кластера, следовательно файл был удален, но запись об этом файле сохранилась в файловой системе. Это является логической ошибкой в файловой системе.

File 1 и File4 – оба файла ссылаются на кластер №3. Это логическая ошибка, поскольку каждый кластер должен быть закреплен за единственным файлом.

File 1 – содержит ссылку на кластер №7, помеченный как сбойный. Это логическая ошибка, которая приведет к невозможности корректно полностью прочитать данный файл.

В области свободных кластеров содержится номер кластера №12, помеченный как сбойный и номер кластера №13, распределенный под File1. Это также является логической ошибкой файловой системы.

В рассмотренном примере перечисленные логические ошибки являются свидетельством начавшегося разрушения файловой системы. Данные логические ошибки могут возникать по следующим причинам:

1. Сбои в работе ПК.

2. Программные ошибки в компьютерных программах.

3. Некорректное завершение ОС.

4. Разрушающая деятельность компьютерных вирусов.

Разделение доступа к данным в ОС.

Операционные системы поддерживают операции блокировки файла для защиты доступа к нему со стороны различных процессов. Под процессом понимается запущенная пользователем компьютерная программа и выполняемая процессором.

Пользователи, которым разрешено входить в систему, перечислены в учетной базе пользователей. Пользователи объединяются в группы. Группы пользователей перечислены в учетной базе групп. Каждому пользователю и каждой группе присвоены числовые идентификаторы.

Входя в систему, пользователь сообщает ей свое имя, по которому определяется его идентификатор и права доступа. Вводя команды в компьютер, пользователь тем самым порождает процессы, которые наследуют его права и получают пользовательский и групповой идентификаторы.

С каждым файлом и с каждой папкой связана пара идентификаторов: пользовательский и групповой. Файл наследует эти идентификаторы от процесса, создавшего данный файл. Процесс, пользовательский идентификатор которого совпадает с пользовательским идентификатором файла, считается владельцем данного файла.

Файл можно читать, записывать и выполнять. Права процессов при доступе к файлу хранятся в атрибутах защиты файла. Эти атрибуты могут быть изменены только процессом, имеющим на это право. Как правило, такими процессами являются процессы, запускаемые администратором системы.

Проверка прав происходит, когда процесс пытается открыть файл для чтения, для записи или для его выполнения.

Все пользователи, имеющие доступ в систему, разделены по отношению к файлу на три категории:

1. Владельцы. Пользовательский идентификатор процессов, которые они запускают, совпадает с пользовательским идентификатором файла.

2. Члены группы. Групповой идентификатор процессов, которые они запускают, совпадает с групповым идентификатором файла.

3. Прочие. Пользовательский и групповой идентификаторы процессов, которые они запускают, не соответствуют с пользовательским и групповым идентификаторами файла.

Владельцы и члены группы получают доступ к файлу. Прочие пользователи не получают доступа к файлу.

Администратор системы имеет самые полные права доступа к файлам и папкам, а также доступ к информации о пользователях и группах в учетной базе и доступ к информации о защите конкретного файла или папки.

Управление внешними устройствами.

Управление внешним устройством выполняет центральный процессор. Выполняя специализированную программу – драйвер внешнего устройства процессор формирует данные для передачи на внешнее устройство, а также принимает данные со внешнего устройства. Такой процесс называется обмен данными со внешним устройством.

Существуют два типа управления обменом данными: прямой и косвенный.

Прямое управление. Прямое управление реализует непосредственную связь между процессором и внешним устройством. Управление осуществляется с помощью последовательности специальных команд, которые формирует процессор при выполнении программы-драйвера. При этом процессор обеспечивает полный алгоритм взаимодействия, содержащий следующие операции:

1. Подготовка данных для обмена со внешним устройством.

2. Запуск программы- драйвера внешнего устройства.

3. Инициализация, т.е. проверка подключения внешнего устройства.

4. Проверка готовности внешнего устройства к обмену данными.

5. Обмен данными со внешним устройством.

6. Завершение работы и останов внешнего устройства.

Косвенное управление. При косвенном управлении между процессором и внешним устройством помещается контроллер. Центральный процессор при этом выполняет только 2 начальные операции алгоритма взаимодействия, и переходит затем к решению других задач. Остальные 4 операции алгоритма взаимодействия выполняет контроллер по специальной программе. Косвенное управление позволяет получить большую производительность компьютера при обмене со внешними устройствами. Контроллеры применяются например для управления клавиатурой, накопителем на гибком диске, накопителем на жестком диске, накопителем на оптическом диске.

Контрольные вопросы.

1. Задачи управления данными(3);

2. Определение интерфейса внешнего устройства;

3. Состав интерфейса внешнего устройства;

4. Назначение порта ВУ;

5. Определение системной шины ПК;

6. Назначение контроллера ВУ;

7. Определение адаптера;

8. Определение модема;

9. Определение протокола обмена данными ВУ;

10. Назначение драйвера ВУ;

11. Определение файла;

12. Операции цикла обработки файла(3);

13. Этапы операции открытие файла(3);

14. Этапы операции обработка каждой записи файла(3);

15. Этапы операции закрытие файла(2);

16. Назначение файловой системы;

17. Объяснить понятие разметка диска;

18. Назначение основного раздела;

19. Назначение дополнительного раздела;

20. Назначение технологии RAID;

21. Определение утилиты;

22. Наиболее популярные утилиты по разметке диска(3);

23. Особенности утилиты Partition Magic;

24. Особенности утилиты Acronis;

25. Особенности утилиты Ghost;

26. Устройство жесткого диска;

27. Объяснить понятие дорожка;

28. Объяснить понятие сектор;

29. Объяснить понятие кластер;

30. Объяснить понятие цилиндр;

31. Адрес кластера(3);

32. Состав файловой системы FAT32(4);

33. Состав таблицы содержания(4);

34. Назначение области файлов;

35. Назначение области переполнения;

36. Назначение области свободных кластеров;

37. Назначение области сбойных кластеров;

38. Причины возникновения логических ошибок в файловой системе;

39. Определение процесса;

40. Объяснить понятие числовой идентификатор;

41. Категории пользователей(3);

42. Определение категории владельцы;

43. Определение категории члены группы;

44. Определение категории прочие;

45. Типы управления обменом данными с внешним устройством;

46. Особенности прямого управления

47. Операции алгоритма взаимодействия при прямом управлении;

48. Особенности косвенного управления;

49. Операции алгоритма взаимодействия при косвенном управлении.