ЛЕКЦИЯ № 20 ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ВОПРОСЫ:
Назначение и основные функции операционных систем.
Понятие файловой системы.
Взаимодействие с аппаратными средствами.
ЛИТЕРАТУРА:
[3], стр. 98-113
1 НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Операционная система (ОС) представляет комплекс системных и служебных программных средств и предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.
Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.
Основная функция всех операционных систем — посредническая и заключаются 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).
Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем.
В пакетном режиме ОС автоматически исполняет заданную последовательность команд.
В диалоговом режиме 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 или прерываний работы самой системы. Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.
По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы.
Неграфические ОС реализуют интерфейс командной строки.
Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.
Активный элемент управления это указатель мыши — графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. Пассивные элементы управления - графические элементы управления приложений
Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь.
Даже для одной аппаратной платформы 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.
Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:
одно- и многозадачные;
одно- и многопользовательские;
непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;
несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.
Все операционные системы 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, в частности для компьютеризированных устройств автоматического управления. Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог операционной системы. Ее автоматический запуск осуществляется аппаратно. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ, с которого начинается запись программы инициализации операционной системы.
2 Понятие файловой системы
2.1 Организация файловой системы
Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения именованных данных на дисках и обеспечения доступа к ним.
Файл — это именованная последовательность байтов произвольной длины, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое.
В различных операционных системах применяются различные версии файловой системы, отличающиеся как минимальным размером единицы адресации (от сотен байт до нескольких килобайт), так и способом размещения файлов на жестком диске. Например, в Windows 98/ME используется файловая система FAT32, семейство же Windows NT/2000/Net/XP использует более стабильную и надежную систему NTFS (которая, правда, за счет надежности работает значительно медленнее).
Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит из физических записей - блоков. Блок - наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью.
Непрерывное размещение - простейший вариант физической организации, при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Основное достоинство этого метода - простота. Но имеются и два существенных недостатка. Во-первых, во время создания файла заранее не известна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла, во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.
Размещение в виде связанного списка блоков дисковой памяти - при таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла также может быть задан одним числом - номером первого блока. В отличие от предыдущего способа, каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, следовательно, фрагментация отсутствует. Файл может изменяться во время своего существования, наращивая число блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того, чтобы прочитать пятый по порядку блок файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых блока, прослеживая цепочку номеров блоков.
Использование связанного списка индексов - с каждым блоком связывается некоторый элемент - индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска. Если некоторый блок распределен некоторому файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются все достоинства предыдущего способа, но снимаются оба отмеченных недостатка.
2.2 Файловая система fat
Файловая система построены на основе таблицы размещения файлов (File Allocation Table - FAT).
Принцип организации файловой системы FAT — табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора, в соответствии с рисунком 20.1.
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 в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах).
Секторы, не содержащие пользовательских данных (файлов), не отражены в FAT. К таким секторам относятся загрузочные секторы, таблицы размещения файлов и секторы корневого каталога.
Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.
Сектор - наименьшая физическая единица хранения данных. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры (блоки).
Кластер - наименьшая единица адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.
Рисунок 20.1 – Структура жесткого диска
При записи файла на диск, информация о нем (о типе файлов, их названиях, размерах, дате создания) записывается в корневой каталог. Кроме этого, для каждого файла в корневом каталоге есть номер кластера, с которого начинается файл. По этому номеру, система обращается в ячейку таблицы, с таким же номером, где будет записан номер следующего кластера. И так далее, до тех пор, пока не будет описано расположение всего файла на диске. Запись закончится командой "стоп".
Рисунок 20.2
Считывание происходит так же. Сначала считывается информация о файле, затем по указателю система переходит в таблицу и там, считывает остальные номера кластеров, которые занимает файл.
Возьмем, к примеру, (рисунок 20.2) файл mydoc.txt. В поле "указатель" стоит номер 01. По этому номеру, обратившись в FAT (номера ячеек написаны сверху), находим следующий номер 03. Обратившись по номеру 03, находим номер 04. Но номеру 04 находим номер 05, где записана команда "стоп". Итак, получилось, что файл находится в кластерах с номерами 01, 03, 04 и 05 (номера кластеров взяты произвольно для примера, чтобы облегчить понимание темы). Может так случится, что файл занимает всего один кластер, например файл zopa.sys.
На рисунке 20.3 показано, как эти файлы будут расположены на жестком диске.
Рисунок 20.3
Файловая система ОС, реализующих 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов, называется FAT 16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 216 записей о местоположении единиц хранения данных и, соответственно, 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 современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью 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 FAT 16 вообще работать не может.