2. Функции операционных систем персональных компьютеров. Базовая аппаратная конфигурация.

Операционная система (ОС) представляет комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений. Ниже перечислены основные функции ОС: 1. Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

• интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

• интерфейс между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

• интерфейс между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс)

Даже для одной аппаратной платформы, например, такой как IBM PC, существует несколько операционных систем: MS DOS (версии от 1.0 до 6.2), OS/2, семейство Windows (95, 98, 2000, NT, XP). При работе с пользователем все ОС способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы. В пакетном режиме ОС автоматически исполняет заданную последовательность команд. Суть диалогового режима состоит в том, что ОС находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а, исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора. ^ Виды интерфейсов пользователя. Различают неграфические и графические ОС. Неграфические ОС реализуют интерфейс командной строки (например, ОС MS DOS). Основное устройство управления – клавиатура. Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса, основанный на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. Активный элемент – указатель мыши. Пассивные элементы – экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и др. Органы управления – клавиатура и устройство позиционирования (мышь). 2. Обеспечение автоматического запуска. Все ОС обеспечивают свой автоматический запуск. Для дисковых ОС в специальной (системной) области диска создается запись программного кода. Обращение к этому коду выполняют программы, находящиеся в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Завершая свою работу, они дают команду на загрузку и исполнение содержимого системной области диска. Недисковые ОС характерны для специализированных вычислительных систем (например, для устройств автоматического управления). Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог ОС. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ, с которого начинается запись программы инициализации ОС. 3. Организация файловой системы. Файловая система – это общая структура, определяющая наименование, сохранение и размещение файлов на диске. Принцип организации файловой системы всех современных дисковых ОС – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности; цилиндра; сектора. Цилиндр – совокупность дорожек на разных поверхностях, равноудаленных от оси вращения. А данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT) (в двух экземплярах для надежности). Поскольку размер FAT – таблицы ограничен (количество записей в таблице для адресации зависит от разрядности записи: для 16 разрядной это 2¹⁶записей, а для 32 разрядной – 2³² записей), то для дисков > 32 Мбайт обеспечить адресацию к каждому сектору не представляется возможным (размер одного сектора всего 512 байт). В этой связи группы секторов объединяются в кластеры. Размер кластера в отличие от размера сектора не фиксирован и зависит от емкости диска. ОС MS DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные записи в FAT-таблицах (файловая система FAT16). В таких FAT – таблицах находится 2¹⁶ (65536) записей о местоположении кластеров. Для дисков емкостью от 1 до 2 Гбайт длина кластера равна 32 Кбайта (64 сектора). Это неудобно – нерациональный расход рабочего пространства (очень маленький файл все равно занимает весь кластер, у больших файлов последний кластер может оказаться полупустым). Потери жестких дисков могут составлять 25% и даже 40% от полной емкости диска. ОС Windows 98, 2000, XP кроме FAT 16 обеспечивают более совершенную организацию файловой системы – FAT 32. В таких FAT – таблицах находится 2³² записей для адресации кластеров. Для дисков емкостью до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайта (всего 8 секторов). Потери жестких дисков в данном случае резко снижаются. В ОС Windows 2000 и выше поддерживается три файловых системы: FAT, FAT32 и NTFS. Выбор файловой системы осуществляется при запуске ОС, форматировании существующего тома и установке нового жесткого диска. Для работы с Windows 2000 и выше рекомендуется использование файловой системы NTFS. Эта файловая система обладает всеми основными возможностями файловой системы FAT и имеет следующие преимущества по сравнению с файловыми системами FAT и FAT 32.

• Повышенная безопасность.

• Более эффективное сжатие данных.

• Поддержка больших дисков — до 2 терабайт (Тбайт). (Максимальный объем дисков для системы NTFS значительно превышает максимальный объем дисков для файловой системы FAT, и, в отличие от системы FAT, при увеличении объема диска не происходит снижения производительности.)

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону – пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT - зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов. Свободное место диска, однако, включает в себя все физически свободное место - незаполненные куски MFT – зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT – зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT –зона просто сокращается (в текущих версиях ОС ровно в два раза), освобождая, таким образом, место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT – зона может снова расшириться. При этом не исключена ситуация, когда в MFT-зоне остались и обычные файлы. Т.е метафайл все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно. Каждый элемент системы NTFS представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT (Master File Table – общая таблица файлов). Это централизованный каталог всех остальных файлов диска и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны ОС – они называются метафайлами, причем самый первый файл – сам MFT. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Эти 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Копия первых трех записей для надежности – они очень важны - хранится ровно посередине диска. Остальной MFT – файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска. Преимущество такого модульного подхода заключается в следующем: в FAT системе физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности – кроме первых 16 элементов MFT. Итак, у системы NTFS есть файлы – и ничего кроме файлов. Каждый файл имеет обязательный элемент – запись в MFT, где хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько, причем не обязательно подряд. Файл может не иметь данных – в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во – вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда данные файла хранятся прямо в MFT, Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области – все данные такого файла хранятся в MFT. FAT системы имеют линейные каталоги, при этом ОС приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Система NTFS имеет структуру каталога в виде бинарного дерева, в котором поиск файла осуществляется гораздо быстрее. 4. Обслуживание файловой структуры. Способ хранения файлов на дисках компьютера называется файловой системой. Иерархическая структура, в виде которой ОС отображает файлы и папки диска для пользователя, называется файловой структурой. Т.е. данные о местоположении файлов на диске хранятся в табличной структуре, а пользователю они предоставляются в виде иерархической структуры, которая гораздо удобнее для пользователя. Все необходимые преобразования ОС берет на себя. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции ОС:

• создание файлов и присвоение им имен;

• создание папок и присвоение им имен;

• переименование файлов и папок;

• копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между папками одного диска;

• удаление файлов и папок;

• навигация по файловой структуре;

• управление атрибутами файла.

Файл – это именованная последовательность байтов произвольной длины. Создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе – это одна из функций ОС. Различают «короткое» и «длинное» имя файла. В ОС MS DOS имя файла состоит из двух частей: собственно имени (8 символов) и расширения имени (3 символа), которые разделяются между собой точкой. В качестве символов используются алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. В большинстве случаев система не возражает против использования специальных символов (!, _ (подчеркивание), - (дефис), ~ (тильда)и др.). Основной недостаток «коротких» имен – их низкая содержательность. С появлением ОС Windows 95 было введено понятие «длинное» имя, состоящее уже не из восьми символов, а из 256. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: / \ * ; ? “ < > |. Расширение имени также состоит из трех символов. Расширение отражает тип файла. В иерархических структурах адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту: С:\Мои документы \Текущие \Рефераты \Операц_системы.doc. Кроме имени и расширения ОС хранит для каждого файла дату его создания и атрибуты файла (свойства файла). ОС позволяют контролировать атрибуты и изменять их. Основные атрибуты следующие:

• Read only (только для чтения)

• Hidden (скрытый)

• System (системный – важные файлы, которые нельзя изменить средствами ОС)

• Archive (архивный – старый атрибут, сейчас, как правило, не используется)

5. Управление исполнением, установкой и удалением приложений. Исполнение. С точки зрения управления исполнением приложений различают однозадачные и многозадачные ОС. Однозадачные ОС – MS DOS. Современные графические ОС - многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают:

• возможность одновременной или поочередной работы нескольких приложений;

• возможность обмена данными между приложениями;

• возможность совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

Установка. Необходимость в установке связана с тем, что разработчики программного обеспечения не могут заранее предвидеть особенности аппаратной и программной конфигурации вычислительной системы. Таким образом, дистрибутивный комплект (установочный комплект), как правило, представляет собой не законченный программный продукт, а полуфабрикат, из которого в процессе установки формируется рабочее приложение. Для установки приложений в Windows достаточно дать команду: ^ Пуск/Панель управления/ Установка и удаление программ. После установки следует перезагрузить компьютер, т.к. основная часть регистрационных действий выполняется в момент завершения работы. При установке приложений ОС привязывает это приложение к конкретной аппаратно-программной среде:

• она распределяет ресурсы вычислительной системы;

• выполняет регистрацию устанавливаемых приложений и выделенных им ресурсов;

• обеспечивает доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств вычислительной системы;

• формирует общие ресурсы, которые могут быть использованы разными приложениями. Так, например, в большинстве приложений Windows можно встретить одинаковые элементы оформления и управления (окна, кнопки, раскрывающиеся списки, меню, флажки, переключатели и многое другое). Одинаковы и приемы управления ими и методы их использования. С точки зрения приложений это означает, что их многие компоненты обрабатываются одним и тем же кодом. Поэтому в Windows принято выделять стереотипные программные фрагменты и группировать их в динамические библиотеки, к которым открыт доступ для разных программных приложений (расширение динамических библиотек ,DDL).

Удаление. Тоже идет под управлением ОС. В старых ОС достаточно было удалить каталог с ненужным приложением. А т.к. в современных ОС имеются общие ресурсы, используемые разными приложениями, то удаление ненужного приложения лучше производить под строгим контролем ОС. Для удаления приложений служит та же команда, что и для установки - Пуск/Панель управления/ Установка и удаление программ. 6. Обеспечение взаимодействия с аппаратной конфигурацией. Средства аппаратного обеспечения вычислительной системы отличаются гигантским многообразием. Существуют сотни различных моделей видеоадаптеров, звуковых карт, мониторов, принтеров, сканеров и прочего оборудования. Ни один разработчик программного обеспечения не в состоянии предусмотреть все варианты взаимодействия своей программы, например, с печатающим устройством. Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления – драйверы. Драйверы имеют точки входа для взаимодействия с прикладными программами, а диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств – это одна из функций ОС. Строго говоря, выпуская устройство, например, модем, его разработчик прикладывает к нему несколько драйверов, предназначенных для основных ОС, как-то: Windows 95, 98, 2000, XP, MS-DOS и т.п. В общем случае оборудование подключается к компьютеру дважды: аппаратно и программно. Под аппаратным подключением понимают физическое соединение с компьютером либо с помощью слотов на материнской плате, либо с помощью внешних разъемов стандартных портов на задней стенке системного блока. Под программным подключением понимают установку программы – драйвера. При установке драйвера происходит выделение операционной системой части ресурсов новому устройству, а также регистрация нового устройства и его драйвера в реестре ОС. Такие стандартные устройства, как жесткий диск, гибкий диск и клавиатура не требуют драйверов, поскольку сведения о том – как с ними работать, уже имеются в BIOS. Они должны распознаваться и работать до загрузки ОС. То же относится и к монитору и к видеоадаптеру, но без драйверов они распознаются как простейшие стандартные модели, а для того, чтобы использовать все функциональные возможности конкретной модели, необходимо установить драйвер. Несколько менее «стандартными» устройствами считаются мышь и дисковод CD-ROM. Они не всегда распознаются средствами BIOS, но после загрузки ОС Windows 98 уже считаются стандартными и обслуживаются драйверами, имеющимися в ее составе, однако, если речь идет о необычных моделях, драйвер установить необходимо. Абсолютное большинство прочих устройств требуют наличия программного драйвера. Наиболее универсальным средством для установки драйверов прочих устройств является мастер установки оборудования, который запускается командой «Установка оборудования» в окне папки «Панель управления». 7. Обслуживание компьютера. Предоставление основных средств обслуживания компьютера – одна из функций ОС. Для этого в базовый состав ОС включаются первоочередные служебные приложения:

• средства проверки дисков (средства логической и физической проверки) (ScanDisk);

• средства уплотнения дисков (DriveSpace);

• средства управления виртуальной памятью;

• средства дефрагментации диска (Defrag);

• средства резервного копирования данных (Backap)