Лекция: Принципы организации работы операционных систем

Операционная система (ОС) – это совокупность программных средств, осуществляющих управление ресурсами ЭВМ, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с компьютером.

ОС загружается при включении компьютера. Она предоставляет пользователю удобный способ общения (интерфейс) с вычислительной системой.

Интерфейс командной строки. По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после утверждения, например, нажатием клавиши Enter. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивается семейством операционных систем под общим названием MS DOS (версии от MS DOS 1.0 до MS DOS 6.2).

Графический интерфейс. Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или иное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

Активные и пассивные элементы управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, строки меню и многие другие). Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжение приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

Обеспечение автоматического запуска. Все операционные системы обеспечивают свой автоматический запуск. Как уже говорилось, для дисковых операционных систем 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.

Организация файловой системы. Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы зависит от операционной системы. Наиболее распространенный способ – табличный.

Во-первых, диск представляется как набор поверхностей.

Во-вторых, каждая поверхность диска разделяется на кольцевые дорожки, а каждая дорожка – на секторы. Размеры секторов фиксированы и равны 512 байт.

Чтобы найти на диске тот или иной файл, надо знать, где он расположен, т.е. нужен его адрес. Проще было бы записать адрес файла в виде номера поверхности, номера дорожки и номера сектора, но на самом деле это выполняется не совсем так. Дело в том, что у каждой поверхности есть своя головка для чтения/записи, и эти головки перемещаются не порознь, а одновременно. То есть, если например, пятая головка подводится к тридцатой дорожке, то и все головки подводятся к своим тридцатым дорожкам. Поэтому вместо понятия дорожки используют понятие цилиндра. Цилиндр – это совокупность всех дорожек, имеющих одинаковые номера, т.е. равноудаленных от оси вращения. Поэтому реально местоположение файла на жестком диске определяется номером цилиндра, номером поверхности и номером сектора.

Понятие кластера. Сектор – это наименьшая единица хранения данных, но для адресации она используется далеко не во всех файловых системах. Для этого она слишком мала. Такие операционные системы как MS DOS, Windows используют для адресации более крупную единицу хранения, называемую кластером. Кластер – это группа соседних секторов. Размер кластера зависит от размера жесткого диска. Чем больше диск, тем большим назначается размер кластера. Типовые значения 8, 16, 32 или 64 сектора.

Данные о том, в каком кластере диска начинается тот или 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 средствами операционной системы.

Современные операционные системы обеспечивают более совершенную файловую систему. Это позволяет работать с любыми современными жесткими дисками.

Создание и именование файлов. Файл – это именованная последовательность байтов произвольной длины. Поскольку из этого определения следует, что файл может иметь нулевую длину, то фактически создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе – это одна из функций операционной системы. По способу именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. Для операционной системы MS DOS характерным было использование «короткого» имени. Имя файла могло содержать не более 8 символов, расширение – не более 3. Имя от расширения отделяется точкой. Основным недостатком «коротких» имен является их низкая содержательность. Далеко не всегда удается выразить несколькими символами характеристику файла. Поэтому с появлением операционных систем семейства Windows было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Это вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки.

Создание каталогов (папок). Каталоги (папки) – важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по назначению, по принадлежности и т.п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

Все современные операционные системы позволяют создавать каталоги. Правила присвоения имени каталогу ничем не отличается от правил присвоения имени файлу, хотя негласно для каталогов не принято задавать расширения имен.

В иерархических структурах данных адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих операционных системах в качестве такого символа используется «\» (обратная косая черта).

Копирование и перемещение файлов. В неграфических операционных системах операции копирования и перемещения файлов выполняются вводом прямой команды в поле командной строки. При этом указывается имя команды, путь доступа к каталогу -источнику и путь доступа к каталогу приемнику.

В графических операционных системах существуют приемы работы с устройством позиционирования, позволяющие выполнять эти команды наглядными методами.

Удаление файлов и каталогов. Средства удаления данных не менее важны для операционной системы, чем средства их создания, поскольку ни один носитель данных не обладает бесконечной емкостью. Существует как минимум три режима удаления данных: удаление, уничтожение и стирание, хотя операционные системы обеспечивают только два первых режима (режим надежного стирания данных можно обеспечить лишь специальными программными средствами).

Удаление файлов является временным. Эта операция происходит на уровне файловой системы (изменяется только путь доступа к файлам). На уровне файловой структуры жесткого диска с ними происходят лишь незначительные изменения – файлы остаются в тех же секторах, где и были записаны. В таблице размещения файлов он помечается как удаленный, хотя физически остается там же, где и был. Это сделано для минимизации времени операции. При этом открывается возможность записи новых файлов в кластеры, помеченные как «свободные».

Операция стирания файлов, выполняемая специальными служебными программами, состоит именно в том, чтобы заполнить якобы свободные кластеры, оставшиеся после уничтоженного файла, случайными данными. Поскольку даже после перезаписи данных их еще можно восстановить специальными аппаратными средствами, для надежного стирания файлов требуется провести не менее пяти актов случайной перезаписи в одни и те же сектора. Эта операция весьма продолжительна, и поскольку массовому пользователю она не нужна, то ее не включают в стандартные функции операционных систем.

Навигация по файловой структуре. Навигация по файловой структуре является одной из наиболее используемых функций операционной системы. Удобство этой операции часто воспринимают как удобство работы с операционной системой. В операционных системах, имеющих интерфейс командной строки, навигацию осуществляют путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога в каталог. В связи с крайним неудобством такой навигации широкое применение нашли специальные служебные программы, называемые файловыми оболочками. Как и операционные системы, файловые оболочки бывают неграфическими и графическими. Наиболее известная неграфическая оболочка для MS DOS – диспетчер файлов Norton Commander, а роль графической оболочки для MS DOS в свое время исполняла программа Windows 3.11. В операционных системах семейства Windows имеются свои средства навигации по файловой системе. В частности, в операционной системе Microsoft Windows XP такими средствами являются программа Проводник и Мой компьютер.

Управление атрибутами файлов. Кроме имени и расширения имени файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты – это дополнительные параметры, определяющие свойства файла. Операционная система позволяет их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами.

Основных атрибута три:

­ только для чтения;

­ скрытый;

­ системный;

Атрибут Только для чтения ограничивает возможность 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 выполнении файловых операций. Эта мера защиты против случайного (умышленного или неумышленного) повреждения файла.

Атрибутом Системный помечаются 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.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под интерфейсом?

2. Какие виды пользовательского интерфейса Вам известны?

3. Что представляет собой интерфейс командной строки?

4. Что представляет собой графический интерфейс?

5. Какие элементы управления являются активными?

6. Чем активные элементы управления отличаются от пассивных?

7. Какие Вам известны способы взаимодействия между активными и пассивными элементами управления?

8. Что понимают под атрибутами файла?

9. Какие существуют атрибуты файла?