Курс лекций информатика

Предсказуемость. Операционная система должна отвечать на запросы пользователя предсказуемым образом. Результаты выполнения команд пользователя должны быть одними и теми же, вне зависимости от последовательности, в которой эти команды посылаются на исполнение.

Удобство. Операционная система должна облегчать работу пользователю, освобождая его от задач по управлению ресурсами ЭВМ и распределению их между программами. Система должна быть спроектирована с учетом основных факторов человеческой психологии.

Эффективность. При распределении ресурсов операционная система должна использовать минимум системных ресурсов, максимально предоставляя их выполняющимся задачам (программам) пользователя.

Гибкость. ОС должна позволять увеличивать (уменьшать) аппаратные ресурсы для того, чтобы улучшить эффективность и скорость работы программ.

Модифицируемость. ОС должна иметь возможность добавления новых функциональных модулей, появившихся в процессе эволюции операционной системы.

Ясность. Пользователь может оставаться в неведении относительно хода выполнения внутренних операций ОС. В то же время он должен иметь возможность получения полного отчета о ходе их выполнения.

7.3.Состав ОС и назначение компонент

Важнейшим достоинством большинства ОС является модульность. Это свойство позволяет объединить в каждом модуле определенные логически связанные группы функций. Если возникает необходимость в замене или расширении такой группы функций, то это можно сделать путем замены или модификации лишь одного модуля, а не всей системы.

В большинстве своем ОС состоят из следующих основных модулей:

-базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System);

-загрузчик операционной системы (Boot Record);

-ядро ОС;

192

-драйверы устройств;

-командный процессор;

-внешние команды (файлы).

Базовая система ввода-вывода (BIOS) - это набор микропрограмм,

реализующих основные низкоуровневые (элементарные) операции вводавывода, хранящихся в ПЗУ. Поэтому, она как бы "встроена" в компьютер и является одновременно аппаратной частью и частью операционной системы. Набор этих программ записывается в постоянную память компьютера при его изготовлении.

Первая функция BIOS - автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. При обнаружении ошибки на экран выводится сообщение о найденном сбое оборудования.

Вторая функция BIOS - вызов блока начальной загрузки операционной системы находящейся на диске (выполняется по окончании тестирования). Загрузив в ОЗУ блок начальной загрузки, BIOS передает ему управление, а он в свою очередь, загружает другие модули операционной системы.

Третья функция BIOS - обслуживание прерываний. При возникновении определенных событий (нажатие клавиш, щелчок мышью, ошибка в программе и т.д.) процессор вызывает из BIOS стандартную программу по обработке возникшей ситуации.

Загрузчик операционной системы - это короткая программа,

находящаяся в первом секторе каждой дискеты или диска с операционной системой. Функция этой программы заключается в считывании в память основных дисковых файлов ОС и передачи им дальнейшего управления ЭВМ.

Ядро ОС - реализует основные высокоуровневые услуги, загружается в ОЗУ и остается в ней постоянно. В ядре ОС выделяют несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи:

193

־файловая система (отвечает за размещение информации на устройствах хранения);

־система управления памятью (размещает программы в памяти);

־система управления программами (осуществляет запуск и выполнение программ);

־система связи с драйверами устройств (отвечает за взаимодействие с внешними устройствами);

־система обработки ошибок;

־службу времени (предоставляет всем программам информацию о системном времени).

Модуль расширения BIOS придает гибкость операционной системе, позволяя добавлять драйверы, обслуживающие дополнительные устройства.

Драйверы требуются в тех случаях, когда обмен информацией с устройствами должен происходить иначе, чем определено в BIOS. Драйверы устройств – это программы, управляющие работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне. Они дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых устройств или нестандартное использование имеющихся. Они передают или принимают данные от внешних устройств ЭВМ и делают программы пользователя независимыми от особенностей аппаратных средств.

Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы. Необходимость и порядок загрузки указываются в специальных файлах конфигурации. Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы ОС.

Командный процессор – это программа, функции которой заключаются в следующем:

- прием и синтаксический разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

194

-исполнение внутренних команд операционной системы;

-загрузка и исполнение внешних команд (реализованных в виде самостоятельных программ) операционной системы и прикладных программ пользователя (файлы с расширением COM, EXE или BAT).

Некоторые стандартные команды (TYPE, DIR и другие) командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними, это, как правило, основные команды работы с файлами и каталогами. Для выполнения внешних команд пользователя командный процессор ищет на дисках программы с соответствующим именем и расширением COM, EXE (например, FORMAT.COM), и если находит ее, то загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет ее из памяти. Таким образом, внешние команды ОС - это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде прикладных программ (отдельных файлов).

В функции командного процессора входит также исполнение командных файлов (текстовые файлы с набором команд и расширением BAT). Когда в качестве команды дается имя командного файла, командный процессор начинает последовательно читать и интерпретировать содержащиеся в нем строки, каждая из которых может содержать одну команду, метку или комментарий. Если в очередной строке стоит команда, осуществляющая вызов некоторой программы, то выполнение командного файла приостанавливается и начинается работа вызванной программы. После ее завершения происходит выполнение следующей команды из командного файла.

7.4.Файловая система

Файловая система (ФС) является составной частью любой операционной системы и отвечает за организацию хранения и доступа к информации на каких-либо носителях. В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске,

195

наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами (атрибуты файлов, каталоги, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске и т.д.)

набор функций по управлению файлами (создание, удаление, чтение, запись, установка атрибутов и уровней доступа, поиску и т.д.)

Файл – логически связанная совокупность данных или программа, записанная в виде поименованной области на устройстве хранения.

Различие между файловыми системами заключается, в основном, в способах распределения пространства между файлами на диске и организации на диске служебных областей. Например, ОС MS DOS

поддерживает FAT16, Windows 2000/XP – FAT16, FAT32, NTFS, OS/2 – FAT16, HPFS. Современные операционные системы стремятся обеспечить пользователя возможностью работать одновременно с несколькими файловыми системами. В большинстве операционных систем (Windows 95, NT, OS/2) реализуется механизм переключения файловых систем (File System Switch, FSS), позволяющий поддерживать различные типы ФС. В соответствии с этим подходом информация о файловых системах и файлах разбивается на две части – зависимую от ФС и не зависимую. FSS обеспечивает интерфейс между ядром и файловой системой, транслируя запросы ядра в операции конкретной файловой системы. Структура файловой системы определяет удобство работы, скорость доступа к файлам, надежность хранения и т.д.

Файловая система имеет два уровня организации: логический и физический. На логическом уровне описывается относительное местоположение файлов в компьютере. Файловая система большинства ОС имеет иерархическую структуру хранения файлов, в которой уровни создаются за счет каталогов, содержащих информацию о зарегистрированных в них файлах и других каталогах (более низкого уровня). Под каталогом в ФС понимается, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, с другой стороны каталог - это файл, содержащий системную информацию

196

(справочник дескрипторов) о зарегистрированных в нем файлах и других каталогов со ссылками на их расположение. Дескриптор файла обычно содержит информацию об имени файла, дате и времени создания или последнего обращения к файлу, размере файла, атрибутах и начального адреса размещения на диске.

На каждом диске имеется один главный или корневой каталог. Каталоги, входящие в корневой каталог называются подкаталогами 1-го уровня. Каталоги, входящие в состав подкаталога 1-го уровня называются подкаталогами 2-го уровня и т.д. Организация файловой системы в виде подкаталогов удобна для сортировки информации по различным темам. Разбиение на подкаталоги зависит от желания пользователя грамотно управлять компьютером. Иерархическое строение диска можно представить в виде дерева подкаталогов, а место расположения файла описывается путем к нему. Путем к файлу называется цепочка символов, начиная с имени дисковода, корневого каталога и последующих подкаталогов вплоть до каталога, содержащего необходимый файл. При написании имена подкаталогов отделяются друг от друга символом "\".

Пример написания пути к файлу: "с:\lesson\editor\lex\lex.exe".

Имена файлов состоят из двух частей: собственного имени (обычно ассоциируется с содержимым файла) и расширения имени (типа файла). Расширение может отсутствовать, и тогда имя совпадает с собственным именем. Тип файла используется для классификации, определения принадлежности к какой-то группе с общими свойствами и связи с обрабатывающей программой. Существует непосредственная связь между расширением и соответственно внутренним форматом файла, а также приложением, для которого он предназначен. Наиболее распространенные расширения и типы файлов:

197

Правила записи имен файлов различаются в разных ОС. Например, первоначально появившееся в MS DOS правило записи имен файлов предполагало следующее: собственное имя файла содержит от 1 до 8 символов, а расширение от 1 до 3 символов. Расширение (если оно имеется) отделяется от собственного имени точкой. Таким образом, имя файла имеет длину от 1 до 12 символов. Например: otchet.txt, game.exe, proba.c. В состав собственного имени и расширения могут входить строчные и прописные латинские буквы, цифры, а также некоторые служебные символы: дефис (минус), знак подчеркивания ( _ ), знак денежной единицы ($), номер(#), знак амперсанда (&), коммерческое ЭТ (@), восклицательный знак (!), знак процента (%), тильда (~), круглые и фигурные скобки (){}. В ОС Windows, OS/2 и некоторых других, общая длинна имени файла может составлять 255 символов включая пробелы и символы национальных алфавитов. При использовании имени, имеющего пробелы в качестве параметра операции, оно заключается в кавычки.

198

Имя и тип файла не обеспечивают всех потребностей, которые возникают при работе с файлами. Чтобы указать отличительные особенности некоторых файлов вводится понятие атрибута файла. Имеются следующие основные атрибуты файлов: A - архивный; R - только для чтения; S - системный; H - скрытый. Атрибут A присваивается файлу для того, чтобы программам резервного копирования информации было проще разыскать в подкаталогах при создании архивных копий. Файлы "только для чтения" защищены от изменения и случайного стирания. Системные файлы обеспечивают работу операционной системы. Имена скрытых файлов и их характеристики при просмотре каталогов обычно не выводятся на экран.

Для обращения к группе файлов можно использовать символы подстановки * и ?. Применение звездочки (*) в имени указывает на то, что с этой позиции и до конца имя может состоять из любых символов. Например: *.txt для операционной системы означает, что будут обрабатываться файлы с любым именем, которые имеют тип .txt. Запись *.* определяет все файлы, находящиеся в текущем каталоге. Знак вопроса

(?) в имени файла означает, что на его месте может находиться любой произвольный символ.

7.5.Организация дискового пространства

На физическом уровне определяется непосредственное размещение информации на устройстве хранения, задаваемое файловой системой.

Рассмотрим в качестве примера организацию дискового пространства для широко распространенных носителей информации – магнитных дисков.

Все пространство магнитного диска разбито на дорожки, которые в свою очередь разделены на сектора. Для создания дорожек и секторов используется специальная процедура, которая называется форматированием и выполняется, обычно, с помощью программы

"FORMAT".

199

Разметка магнитных носителей

Рис. 38

Процесс форматирования является сложной процедурой, состоящей из 2 раздельных операций, называемых форматированием низкого и высокого уровней. Низкий уровень форматирования (физический) состоит в нанесении на диск электронных меток для указания физических мест дорожек и секторов. Затем на высоком уровне форматирования, называемом также логическим, происходит выделение служебных областей на диске.

Перед использованием диск обязательно должен быть отформатирован. Программа форматирования проверяет также работоспособность диска, отсутствие ошибок при записи и считывании информации. Дефектные сектора специальным образом помечаются и в дальнейшем не используются. Если диск уже был отформатирован и на нем записана информация, то повторная процедура форматирования уничтожает существующие данные на диске.

Обе стадии форматирования гибких дисков выполняются одновременно, но когда та же самая команда применяется к жестким дискам, то выполняется форматирование только высокого уровня, при этом предполагается, что форматирование низкого уровня уже проведено изготовителем.

200

В первом физическом секторе жесткого диска располагается головная загрузочная запись и таблица разделов диска. Головная загрузочная запись (master boot record, MBR) при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (Boot Sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер каждого раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочную запись.

Базовой единицей ФС жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска и обслуживаемый какой-либо файловой системой. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов. Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать, так называемый, расширенный (extended) раздел, который по аналогии с основным разделом может разбиваться на несколько логических дисков.

При проведении форматирования высокого уровня дискеты или раздела диска происходит создание служебных областей в соответствии с типом файловой системы.

FAT. Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. В дальнейшем она была приобретена фирмой Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками и вначале не предусматривала поддержку жестких дисков.

Служебные области диска в файловой системе FAT16

Рис. 39

201