7.2 Операционные системы: назначение и классификация
Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций.
- предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
- повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторыми критерием.
Операционная система (ОС) - это программа, которая предназначена для управления всеми физическими и логическими ресурсами компьютера и способная создавать интерфейс между пользователем и компьютером.
Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами.
Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:
1. Одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);
2. Одно- и многопользовательские ( в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);
3. Непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;
4. Несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети.
Примеры ОС: MS DOS, Windows 98/2000, Windows XP, Lunix и др.
7.3 Понятие файла. Таблица fat
Долговременно информация хранится на внешних носителях в виде файлов. При хранении придерживаются определенной организации данных, под которой понимают совокупность правил, определяющих особенности размещения данных на внешних устройствах, методы доступа к ним, средства защиты данных от несанкционированного доступа и т.п. Совокупность средств операционной системы, обеспечивающих доступ к данным, называется файловой системой.
Стартовый сектор (загрузочная запись), таблица размещения файлов, корневой каталог и остающееся свободным пространство памяти диска, называемое областью данных, являются элементами файловой структуры диска. Они создаются операционной системой в процессе инициализации диска. На рисунке 7.2 показана структура размещения данных на диске.
На диске размещается используемый программой сжатия данных DoubleSpace файл сжатого тома CVF (Compressed Volume File). Таких файлов в системе может быть до 255.
Жесткие диски характеризуются возможностью предварительного разбиения их на несколько разделов. Поэтому в начальных секторах жесткого диска содержится информация о количестве разделов, их местоположении и размерах. Разделы жесткого диска рассматриваются как автономные виртуальные диски. Каждый из них инициализируются отдельно и имеет собственное имя (С:, D:, E).
Рисунок 7.2. – Элементы файловой структуры диска
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 тли иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). 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 операционной системой.
Достоинством такой организации является возможность осуществления прямого доступа к данным файла. Недостатком является постепенное фрагментирование диска при активной работе с файловой системой по уничтожению, созданию и изменению объемов файлов. При этом занимаемое файлами пространство «разорвано» по всему диску. Фрагментирование значительно увеличивает время доступа к данным на диске.
Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. 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. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.
Операционные системы MS DOS, Windows 95, Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (216) 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 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 FAT16 вообще не работает.
В настоящее время операционные системы Windows98/2000/ХР обеспечивают более совершенную организацию файловой системы FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов.
Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры (рисунок 7.3).
Рисунок 7.3. – Пример иерархической структуры каталогов и файлов
Каталог представляет собой справочник, содержащий сведения о местоположении, размере, дате и времени обновления файлов. Для каждого файла на диске имеется один элемент в определенном каталоге. Один элемент корневого каталога выделяется для метки диска. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т.п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными, и называются подкаталогами. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.
Файлом называется поименованная область дискового пространства, на которой хранится логически связанная совокупность данных определенной длины.
Имена файлов должны удовлетворять следующим требованиям:
- имя файла должно иметь расширение, отделяемое от имени точкой и содержащее не более трех символов;
- для записи имен файлов используются буквы латинского и русского алфавитов и специальные знаки: (-) – минус, ( _ ) – подчеркивание, @, $, % др.;
- в качестве имен файлов не должны использоваться следующие буквенные сочетания: AUX, CON, PRN, NUL, COM1, COM2, LPT1, LPT.
Имена файла подбираются таким образом, чтобы по нему можно было легко определить содержимое. Расширение имени, как правило, указывает на тип хранящихся в файле данных. В таблице представлены типовые расширения имен файлов:
Таблица 7.1. – Типовые расширения файлов
Типовое расширение |
Содержимое файла |
doc |
Файл документа |
bak |
Резервная копия файла |
bat |
Командный файл |
exe |
Выполняемая программа |
sys |
Драйвер управления устройством |
xls |
Файл, созданный в электронной таблице MS Excel |
rar |
Архивный файл |
html |
Файл web-страницы |
Кроме имени и расширения имени файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты файла – это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов. Операционная система позволяет их контролировать и изменять; состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами.
Основных атрибутов четыре:
- Только для чтения (Read only);
- Скрытый (Hidden);
- Системный (System);
- Архивный (Archive).
Атрибут «Только для чтения» ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений.
Атрибут «Скрытый» сигнализирует операционной системе о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Эта мера защиты против случайного (умышленного или неумышленного) повреждения файла.
Атрибутом «Системный» помечают файлы, обладающие важными функциями в работе самой операционной системы. Его отличительная особенность в том, что средствами операционной системы его изменить нельзя. Как правило, большинство файлов, имеющих установленный атрибут «Системный», имеют также и установленный атрибут «Скрытый».
Атрибут «Архивный» в прошлом использовался для работы программ резервного копирования. Предполагалось, что любая программа, изменяющая файл, должна автоматически устанавливать этот атрибут, а средство резервного копирования должно его сбрасывать. Таким образом, очередному резервному копированию подлежали только те файлы, у которых этот атрибут был установлен. Современные программы резервного копирования используют другие средства для установления факта изменения файла, и данный атрибут во внимание не принимается, а его изменение вручную средствами операционной системы не имеет практического значения.