Сайт о телевидении

Основа программного обеспечения персонального компьютера - операционная система, представляющая собой комплекс служебных и системных программных компонентов, обеспечивающих человеко-компьютерное взаимодействие и выполнение прочих программ. С одной стороны, она тесно взаимосвязана с базовым программным обеспечением компьютера, включенным в BIOS, однако она сама выступает в качестве опоры для программ более высокого уровня - прикладного, а также большей части прикладных программ. Для работы компьютера обязательным условием выступает присутствие операционной системы на его жестком диске. При включении устройства она считывается с жесткого диска и записывается в ОЗУ, данный процесс получил название загрузка. В связи с тем, что сейчас существует множество разнообразных систем, ориентированных на решение конкретных и общих задач, вполне естественным является то, что имеется классификация операционных систем. Давайте приведем ее в кратком виде.

Классификация операционных систем зависит от особенностей реализации управляющих алгоритмов областями использования и ресурсами компьютера. В зависимости от алгоритма процессорного управления принято подразделять операционные системы на однозадачные и многозадачные, однопроцессорные и многопроцессорные, однопользовательские и и локальные.

Классификация операционных систем по количеству одновременно выполняемых задач: многозадачные и однозадачные. Однозадачные системы используют средства файлового периферийными устройствами, а также и средства взаимосвязи с пользователями. Для многозадачных систем характерно использование тех же средств, что и для однозадачных, но при этом они управляют разделением ресурсов, используемых совместно: оперативная память, процессор, внешние устройства и файлы.

Типы по областям использования многозадачности: системы обработки данных в пакетном режиме, системы реального времени и с разделением времени. Основным назначением систем пакетной обработки данных является решение задач, не требующих быстрого получения результата. Их основной целью является решение наибольшего количества задач за единицу времени или максимальная Такие системы позволяют добиваться большой производительности при решении больших объемов задач, однако они снижают эффективность пользовательской работы в режиме интерактивности. Системы с разделением времени выделяют небольшой временной промежуток для решения каждой задачи, поэтому ни одна задача на продолжительное время не занимает процессор. При минимальном выбранном промежутке времени может создаваться видимость одновременного выполнения ряда задач. При понижении пропускной способности такие системы позволяют пользователю весьма эффективно работать в интерактивном режиме. Системами реального времени пользуются для управления техническим объектом или технологическим процессом.

Классификация операционных систем по численности одновременно работающих пользователей: много- и однопользовательские. В многопользовательских у каждого пользователя имеется возможность настроить для себя интерфейс системы, то есть у них имеется возможность создать собственные ярлыки, индивидуальную схему цветов и прочее. В таких системах имеются и средства защиты информации от доступа иных пользователей.

Наличие в системе средств многопроцессорной является важнейшей характеристикой, подобные средства представлены в Net Ware, OS/2, Widows NT.

Так как мы привыкли использовать систему Windows, то вас может волновать именно ее классификация. Итак, основные операционные системы Windows, которые использовались у нас для рядовых пользователей, это Windows 95, 98, NT, XP, Seven.

Операционные системы классифицируются по:

Количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;

Числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: однозадачные, многозадачные;

Количеству поддерживаемых процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные;

Разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные;

Типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические);

Типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени;

Типу использования ресурсов: сетевые, локальные.

В соответствии с первым признаком классификации многопользовательские операционные системы, в отличие от однопользовательских, поддерживают одновременную работу на ЭВМ нескольких пользователей за различными терминалами.

Второй признак предполагает деление ОС на многозадачные и однозадачные. Понятие многозадачности означает поддержку параллельного выполнения нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы, в один момент времени. Однозадачные ОС поддерживают режим выполнения только одной программы в отдельный момент времени.

В соответствии с третьим признаком многопроцессорные ОС, в отличие от однопроцессорных, поддерживают режим распределения ресурсов нескольких процессоров для решения той или иной задачи.

Четвертый признак подразделяет операционные системы на 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. При этом подразумевается, что разрядность операционной системы не может превышать разрядности процессора.

В соответствии с пятым признаком ОС по типу пользовательского интерфейса делятся на объектно-ориентированные (как правило, с графическим интерфейсом) и командные (с текстовым интерфейсом). Согласно шестому признаку ОС подразделяются на системы:

Пакетной обработки, в которых из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет (набор) заданий, вводимых в ЭВМ и выполняемых в порядке очередности с возможным учетом приоритетности;

Разделения времени (TSR), обеспечивающих одновременный диалоговый (интерактивный) режим доступа к ЭВМ нескольких пользователей на разных терминалах, которым по очереди выделяются ресурсы машины, что координируется операционной системой в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания;

Реального времени, обеспечивающих определенное гарантированное время ответа машины на запрос пользователя с управлением им какими-либо внешними но отношению к ЭВМ событиями, процессами или объектами.

В соответствии с седьмым признаком классификации ОС делятся на сетевые и локальные. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных, и предоставляют мощные средства разграничения доступа к данным в рамках обеспечения их целостности и сохранности, а также множество сервисных возможностей по использованию сетевых ресурсов.

В большинстве случаев сетевые операционные системы устанавливаются на один или более достаточно мощных компьютеров-серверов, выделяемых исключительно для обслуживания сети и совместно используемых ресурсов. Все остальные ОС будут считаться локальными и могут использоваться на любом персональном компьютере, а также на отдельном компьютере, подключенном к сети в качестве рабочей станции или клиента.

Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализуют такие функции, как планирование и распределение ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными. Объем ОС и число составляющих ее программ в значительной степени определяются типом используемых ЭВМ, сложностью режимов работы ЭВМ и ВС, составом технических средств и т.д. Применение ОС позволяет осуществить:

Увеличение пропускной способности ЭВМ, т.е. увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;

Уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами времени получения результатов;

Контроль работоспособности технических и программных средств;

Помощь пользователям и операторам при использовании ими технических и программных средств, обеспечения их работы;

Управление программами и данными в ходе вычислений;

Обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и программными средствами.

Операционная система представляет собой 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. Приложе­ниями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем - посредническая . Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

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

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

Интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух кате­гориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения тех­нических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

Основные критерии подхода к выбору операционной системы:

В настоящее время имеется большое количество операционных систем, и перед пользователем стоит задача определить, какая операционная система лучше других (по тем или иным критериям). Очевидно, что идеальных систем не бывает, любая из них имеет свои достоинства и недостатки. Выбирая операционную систему, пользователь должен представлять, насколько та или иная ОС обеспечит ему решение его задач.

Чтобы выбрать ту или иную ОС, необходимо знать:

На каких аппаратных платформах и с какой скоростью работает ОС;

Какое периферийное аппаратное обеспечение ОС поддерживает;

Как полно удовлетворяет ОС потребности пользователя, то есть каковы функции системы;

Каков способ взаимодействия ОС с пользователем, то есть насколько нагляден, удобен, понятен и привычен пользователю интерфейс;

Существуют ли информативные подсказки, встроенные справочники и т. д.;

Какова надежность системы, то есть ее устойчивость к ошибкам пользователя, отказам оборудования и т. д.;

Какие возможности предоставляет ОС для организации сетей;

Обеспечивает ли ОС совместимость с другими операционными системами;

Какие инструментальные средства имеет ОС для разработки прикладных программ;

Осуществляется ли в ОС поддержка различных национальных языков;

Какие известные пакеты прикладных программ можно использовать при работе с данной системой;

Как осуществляется в ОС защита информации и самой системы.

Методы декомпозиции операционных систем (монолитная, модульная, микроядерная).

В настоящее время используется много типов различных операционных систем для ЭВМ различных видов, однако в их структуре существуют общие принципы. В составе многих операционных систем можно выделить некоторую часть, которая является основой всей системы и называется ядром. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули, такие как модуль управления системой прерываний, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Программы, входящие в состав ядра, при загрузке ОС помещаются в оперативную память, где они постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ.

Ядро - центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Типы архитектур ядер операционных систем:

Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса Unix, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие части функции ядра.

Достоинства: скорость работы, упрощенная разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.

Недостатки: поскольку все ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: традиционные ядра UNIX(такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS.

Модульное ядро

Модульное ядро - современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.

В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Достоинства: модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра, не поддерживающие динамическую загрузку модулей, так как от разработчика не требуется многократная полная перекомпиляция ядра при работе над какой-либо его подсистемой или драйвером. Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются.

Недостатки: в свою очередь, не любая программа может быть сделана модулем ядра: на модули ядра накладываются определенные ограничения в части используемых функций (например, они не могут пользоваться функциями стандартной библиотеки С/С++ и должны использовать специальные аналоги, являющиеся функциями API ядра).

Примеры: семейство ОС GNU/Linux.

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами.

Достоинства: устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы.

Недостатки: передача данных между процессами требует накладных расходов.

Примеры: Symbian OS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; Windows CE; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.

Интерфейс прикладного программирования (англ. Application Programming Interface, API [эй-пи-ай]; по-русски чаще произносят [апи́]) - набор готовых констант, структур и функций, используемых при программировании пользовательских приложений и обеспечивающих правильное взаимодействие между пользовательским приложением и операционной системой.

API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована. Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как черный ящик, то API - это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дергать.

Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию - высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов. По такому принципу построены протоколы передачи данных по Internet. Стандартный протокол Internet (сетевая модель OSI) содержит 7 уровней (от физического уровня передачи пакетов бит до уровня протоколов приложений, подобных протоколам HTTP и IMAP). Каждый уровень пользуется функциональностью предыдущего уровня передачи данных и, в свою очередь, предоставляет нужную функциональность следующему уровню.

Управление процессами

Понятие процесса играет ключевую роль и вводится применительно к каждой программе отдельного пользователя. Управление процессами (как целым, так и каждым в отдельности) - важнейшая функция ОС.

Процессом называют програм­му в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство - список адресов в памяти от некоторого ми­нимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содер­жит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, ука­затель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы.

Чтобы лучше разобраться в понятии процесса, проведем аналогию с системой, работающей в режиме разделения времени. Предположим, ОС решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый из­расходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора. Позже остановленный процесс должен быть запущен снова из того же со­стояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо сохранить. Так, процесс может иметь не­сколько одновременно открытых для чтения файлов. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию, т.е. номер байта или записи, которые будут прочитаны после повторного запуска про­цесса. При временном прекращении действия процесса все указате­ли нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих ОС вся информация о каждом процессе хранится в таблице операцион­ной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представ­ляет собой связанный список структур, по одной на каждый суще­ствующий в данный момент процесс.

Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользовате­лем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе про­цессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный мо­мент времени процессор занят только одной программой, но за се­кунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми програм­мами. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах, содержа­щих несколько процессоров, разделяющих общую память между со­бой. Производители операционных систем разработали концептуаль­ную модель последовательных процессов , упрощающую наблюдение за работой параллельно идущих процессов.

Рассмотрим содержание и применение этой модели.

В модели процесса все функционирующее на компьютере ПО организовано в виде набора последовательных процессов, или просто процессов. Процессом является выполняемая программа вместе с те­кущими значениями счетчика команд, регистров и переменных. С позиций этой абстрактной модели у каждого процесса есть соб­ственный центральный виртуальный процессор. На самом деле цен­тральный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно, чем представлять процессор, переключающийся от программы к программе. Это переключение и называется много­задачностью или мультипрограммированием.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС созда­ются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимо­действие с пользователем и выполняют заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми. Они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может обеспечивать вывод на печать, другой мо­жет обрабатывать запросы к web-страницам.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки систе­мы. Так текущий процесс может создать один или несколько новых процессов, при этом текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сфор­мировать как набор связанных, но независимо взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого коли­чества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в буфере, дру­гой - для считывания и обработки данных из буфера. Такая схема даже ускорит обработку данных, если каждый процесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.

Как правило, процессы завершаются по мере выполнения сво­ей работы. Так, после окончания компиляции программы компиля­тор выполняет системный запрос, чтобы сообщить ОС об оконча­нии работы. В текстовых редакторах, браузерах и других программах такого типа есть кнопка или пункт меню, с помощью которых мож­но завершить процесс.

Процесс является независимым объектом со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, однако существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого про­цесса.

Модель процессов упрощает представление о внутреннем пове­дении системы. Некоторые процессы запускают программы, выпол­няющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя.

Рассмотренный подход описывается моделью, представленной на рис. 7.2. Нижний уровень ОС - это планировщик - небольшая про­грамма. На верхних уровнях расположены процессы. Обработка пре­рываний и процедуры, связанные с остановкой и запуском про­цессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.

Процессы

Рис. 7.2. Нижний уровень ОС, отвечающий за прерывание и планирование

Процесс - выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ. Стандарт ISO 9000:2000 Definitions определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие. Компьютерная программа сама по себе это только пассивная совокупность инструкций, в то время как процесс - это непосредственное выполнение этих инструкций.

Часто процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и т.д.

Жизнь процесса можно теоретически разбить на несколько состояний, описывающих процесс. Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне (рис. 7.3.):

1) Процесс выполняется в режиме задачи.

2) Процесс выполняется в режиме ядра.

3) Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

4) Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

5) Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.

6) Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

7) Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс.

8) Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.

9) Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Для описания состояний процессов используется несколько моделей. Самая простая модель - это модель трех состояний . Модель состоит из:

1. состояния выполнения

2. состояния ожидания

3. состояния готовности

Рисунок 7.3. Диаграмма переходов процесса из состояния в состояние

Реализация модели процессов базируется на таблице процессов с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содер­жит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, распре­делении памяти, состоянии открытых файлов, об указателе стека, использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска про­цесса, как если бы он не останавливался.

Файловые системы

При наличии большого числа программ и данных необходим строгий их учет и систематизация. Операционным системам приходится работать с различными потоками данных, разными аппаратными и периферийными устройствами компьютера. Организовать упорядоченное управление всеми этими объектами позволяет файловая система .

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе операционной системы UNIX. В ОС UNIX подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве. Таким образом, файловая система - это система управления данными.

Файловые системы операционных систем создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами (например, обращаться к диску с учетом особенностей его адресации), а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами. Файловая система также обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Пользователь, работая в контексте определенного языка программирования, обычно использует файлы как поименованные совокупности данных, хранимые во внешней памяти и имеющие определенную структуру. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т.д., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Файловая система - еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Как было установлено, основной функцией операционной системы является маскирование особенностей рабо­ты дисков и других устройств и предоставление пользователю понят­ной и удобной абстрактной модели независимых от устройств фай­лов. Системные вызовы необходимы для создания, удаления, чтения или записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно раз­местить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.

При создании места для хранения файлов ОС использует поня­тие каталога как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса, каталог для электронной почты и каталог для своей домаш­ней web-страницы. Для создания и удаления каталога также необ­ходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение су­ществующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталога могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру - файловую систему.

Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев (рис. 7.3). Иерархия процессов обычно не очень глубока, в ней ред­ко бывает больше трех уровней, тогда как файловая структура дос­таточно часто имеет четыре, пять и даже больше уровней в глубину.

Рис. 7.3. Дерево каталогов

Иерархия процессов обычно живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.

Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинает­ся из вершины структуры каталогов, называемой корневым катало­гом. Абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, кото­рые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов. Отдельные компоненты в ОС UNIX разде­ляются косой чертой /, а в MS-DOS и Windows - обратной косой чертой \.

Организация файловой системы

Файловая система характеризует способ хранения и поиска ин­формации на внешнем носителе - жестком диске.

Данные в ПК размещены по иерархическому принципу: на верхнем уровне - логический диск, на втором уровне - папки (ка­талоги), на третьем - файлы/папки. Логический диск - это логическая единица жесткого диска ПК. Разметка жесткого диска осуществляется специальной программой. Количество и размер логических дисков определяются пользовате­лем ПК. Традиционно дисководы для гибких дисков носят название А: и В:. Названия логических дисков винчестера начинаются с С:, D:, Е: и т. д. На диске С: обычно устанавливаются и хранятся систем­ные программы и файлы, а начиная с диска D: - размещается лич­ная информация пользователя.

Папки (каталоги, директории) - элементы файловой структуры, отвечающие за систематизацию информации в файловой системе. Состав папок, их название, их наличие определяются пользователем и его методами работы. С точки зрения файловой системы папка -это небольшой файл со списком содержимого данной папки.

Файл - это поименованная область на носителе информации (диске), содержащая данные. Имя файла определяется по опреде­ленным законам и состоит из 2-х частей: собственно имени и расши­рения (типа). Имя файла может содержать русские и латинские буквы, цифры и некоторые знаки (подчеркивание, пробел, дефис, #, $, ...), длина имени не более 255 символов. Некоторые знаки запрещены для ис­пользования в имени -*,?,/, \ и др., поскольку за ними закреплены в системе определенные функции. Расширение (тип) файла может отсутствовать, но его наличие очень полезно, поскольку позволяет пользователю узнать, какого типа информация находится в файле (.txt - текстовый файл, .doc - документ, . bmp - картинка и т.п.), а операционная система может определить, с помощью какого приложения (программы) можно этот файл прочитать.

Расширения.ехе, .com, .bat определяют исполняемые файлы, файлы, внутри которых находится информация, «понятная» ПК на внутреннем языке. Это расширения файлов-программ (приложений).

Для группировки файлов в группы с целью их поиска использу­ются шаблоны имен. В них могут использоваться определенные символы - символы шаблонов. К ним относятся:

* - обозначает любое количество любых символов;

Любой один символ.

Рассмотрим несколько примеров (шаблонов):

*.txt - все файлы с расширением txt;

А*.ехе - исполняемые файлы, начинающиеся на А;

K*.doc - файлы со второй буквой К в названии, сделанные в программе Word.

Небольшой файл (до 1 Кб), содер­жащий строку адреса файла, называет­ся ярлыком.

Путь (адрес) файла - это его место­положение в файловой системе. На­пример, для случая на рис. 7.4, путь к файлу file.txt будет таким:

D:\моя\задания\file.tхt

Рис. 7.4. Фрагмент файловой структуры

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный . Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Нарушение целостности служебных сведений приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. Поэтому к системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор . Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен, а для некоторых файловых систем - просто невозможен. В связи с этим группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован. Обычно он зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT16 . Она позволяет разместить в FAT -таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для жестких дисков, объем которых приближается к 2 Гбайт, потери, связанные с неэффективностью этой файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT16 вообще работать не может.

Начиная с Windows 98 операционные системы семейства Windows (Windows 98, Windows Me, Windows2000, WindowsXP) поддерживают более совершенную версию файловой системы на основе FAТ -таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows XP способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS . В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в главной таблице файлов (MFT). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. Однако сучетом типичных характеристик современных компьютеров можно говорить о том что в настоящее время эффективность FAT32 и NTFS примерно одинакова.

Обслуживание файловой структуры

Несмотря на то что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции , происходящие под управлением операционной системы:

Создание файлов и присвоение им имен;

Создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

Переименование файлов и каталогов (папок);

Копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

Удаление файлов и каталогов (папок);

Навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

Управление атрибутами файлов.

Сравнение файловых систем Microsoft Windows.

Под управлением MS Win2000 возможно использование файло­вых систем FAT16, FAT32, NTFS или их комбинаций. Цифры в на­звании файловых систем - FAT16 и FAT32 - указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом. Так, в FAT16 применяется 16-битная адреса­ция и, соответственно, возможно использование до 2 16 адресов. В Windows 2000 первые четыре бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 2 28 .

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

Файловая система поддерживается ОС MS-DOS, Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, а также некоторыми ОС UNIX;

Существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;

При возникновении проблем с загрузкой с HDD система может быть загружена с системной дискеты;

Файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мб.

К недостаткам FAT16 можно отнести:

В FAT 16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжа­тие.

Среди преимуществ FAT32 важно отметить следующие:

Выделение дискового пространства выполняется более эффектив­но, особенно для дисков большого объема;

Корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска, благодаря этому FAT32 не накладывает никаких ограничений на число эле­ментов в корневом каталоге;

За счет использования кластеров меньшего размера занятое дис­ковое пространство на 10-15 % меньше, чем под FAT16.

FAT32 является более надежной файловой системой, в частно­сти, она поддерживает возможность перемещения корневого ка­талога и использование резервной копии FAT.

Основные недостатки FAT32:

Размер тома под Win2000 ограничен 32 Гб;

Тома недоступны из других ОС - только из Win95 OSR2 и Win98;

Не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;

Не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие. При работе в Windows 2000 рекомендуется отформатировать все разделы HDD под NTFS, за исключением тех конфигураций, когда используется несколько ОС (кроме Windows 2000 и Windows NT).

Применение NTFS вместо FAT позволяет использовать функции, доступные в NTFS. К ним, в частности, относятся:

Возможность восстановления. Эта возможность встроена в фай­ловую систему, NTFS и гарантирует сохранность данных за счет того, что используются протокол и некоторые алгоритмы восста­новления информации;

Операционная система в наибольшей степени определяет облик вычислительной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, различных типов дисков, накопителей на магнитных лентах, принтеров, сетевой коммуникационной аппаратуры и других устройств, требующих сложного механизма управления. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины так, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. В соответствии с этим главной функцией ОС является распределение процессоров, памяти, других устройств и данных между вычислительными процессами, конкурирующими за эти ресурсы. Управление ресурсами включает решение следующих не зависящих от вида ресурса задач:

планирование ресурса , т.е. определение, кому, когда и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;

контроль за состоянием ресурса , т.е. поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом.

Операционные системы различаются особенностями реализации алгоритмов управления ресурсами компьютера, областями использования и по многим другим признакам. Так, в зависимости от особенностей алгоритма управления процессором операционные системы делятся на однозадачные и многозадачные, однопользовательские и многопользовательские, на однопроцессорные и многопроцессорные системы, а также на локальные и сетевые.

Однозадачные и многозадачные операционные системы. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы делятся на два класса:

однозадачные (например, MS DOS, MSX);

многозадачные (ОС ЕС, OS/2, Unix, ОС семейства Windows) и др.

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным интерфейс пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС , кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких, как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе вычислительными процессами во многом определяет особенность ОС. Среди множества существующих способов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

Невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

Вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, Unix).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим алгоритмом многозадачности является степень централизации планирования вычислительных процессов. В первом случае планирование вычислительных процессов целиком возлагается на операционную систему, а во втором – распределено между операционной системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный вычислительный процесс выполняется до тех пор, пока сама прикладная программа по собственной инициативе не отдаст указание операционной системе выбрать из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного активного вычислительного процесса на другой принимается самой ОС, а не прикладной программой.

В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:

системы пакетной обработки (например, ОС ЕС);

системы с разделением времени (Unix, VMS, Windows, Linux);

системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначены для решения задач такого характера, которые не требуют быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, т.е. решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующий порядок обработки данных: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются те задачи, которые предъявляют различные требования к ресурсам. Это делается с целью обеспечения сбалансированной загрузки всех устройств вычислительной машины. Например, является желательным одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом.

Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т.е. выбирается наиболее оптимальное, “выгодное” задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Очевидно, что такой алгоритм вычислительного процесса снижает эффективность работы пользователя в интерактивном режиме, но остается актуальным для обеспечения высокой производительности при обработке больших объемов информации и до настоящего времени, особенно в прикладных информационных системах.

Системы с разделением времени. В системах с разделением времени каждой задаче выделяется небольшой квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то это предполагает параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы. Ясно, что подобные системы обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая “выгодна” системе. Критерием эффективности систем с разделением времени является не максимальная пропускная способность процессора, а эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

Системы реального времени (ОС РВ) применяются для управления различными техническими объектами (такими, как станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.). Применяют ОС РВ и в банковском деле. Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы – реактивностью. Среди наиболее известных ОС РВ для IBM PC – RTMX, AMX, OS-9000, FLEX OS, QNX и др. Среди перечисленных ОС наиболее полным набором инструментальных средств обладает ОС РВ QNX, которая выполняет 32-разрядные приложения и может работать совместно с ОС семейства Unix.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

Многопользовательский и однопользовательский режимы. По числу одновременно работающих пользователей ОС могут быть разделены на однопользовательские (MS DOS, Windows 3.x) и многопользовательские (Unix, Windows NT, Windows XP, Linux).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Многопроцессорные и однопроцессорные системы. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки. В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

В системе с многопроцессорной обработкой данных ОС могут быть разделены по способу организации вычислительного процесса следующим образом: асимметричные ОС и симметричные ОС . Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все количество процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Одним из важных признаков классификации ОС является деление их на сетевые и локальные.

Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных.

Они предоставляют средства разграничения доступа к информации, ее целостности и сохранности, а также другие возможности использования сетевых ресурсов.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети.

С одной стороны, каждый компьютер в сети в некоторой степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой понимается вся совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам – протоколам.

С другой стороны, сетевая ОС – это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В большинстве случаев ОС устанавливаются на одном или более достаточно мощных компьютерах-серверах, предназначенных исключительно для обслуживания сети и совместно используемых ресурсов.

Все остальные ОС будут считаться локальными сетевыми и могут использоваться на любом ПК, подключенном к сети в качестве рабочей станции. На каждой рабочей станции выполняется своя собственная локальная сетевая операционная система, отличающаяся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети.

Локальная сетевая ОС такого типа не имеет фундаментальных отличий от ОС автономного компьютера, но она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей:

средства управления локальными ресурсами компьютера : функции распределения оперативной памяти между планированием и диспетчеризацией процессов, управления процессорами в многопроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС;

средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование – серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам;

средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование – клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо;

коммуникационные средства ОС , с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., т.е. является средством транспортировки сообщений.

Определение 1 :Операционная система – это комплекс специальных программных средств, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других (пользовательских) программ, а также для планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования. Любая прикладная программа связана с операционной системой и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда (или должна быть обеспечена возможность конвертации - преобразования программ).

Существует два подхода к рассмотрению понятия ОС.

Операционная система как расширенная машина : использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода/вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода/вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

Операционная система как система управленияресурсами: в соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования.

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов - и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;

отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Классификация операционных систем

Рассмотрим основные функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера.

1. Поддержка многозадачности . По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

однозадачные (например, MSDOS, MSX);

многозадачные (ОС ЕС, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме выполнения вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

2. Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся:

на однопользовательские (MSDOS, Windows 3.x,);

многопользовательские (UNIX, WindowsNT).

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

невытесняющая многозадачность;

вытесняющая многозадачность

Поддержка многонитевости. Важным свойством ОС является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мулътипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.