2. Основные характеристики ос. Многозадачность. Системы управления данными и файлами. Обеспечение аппаратно-программного интерфейса.

Основные характеристики ОС

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей ОС в целом. Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. В зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса: однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и многозадачные (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 вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на: однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2) и многопользовательские (UNIX, Windows NT).

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.

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: вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX) и невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: 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 весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Система управления данными

Система управления данными играет центральную роль в ОС, поскольку она должна управлять и хранить информацию и программы, принадлежащие как пользователям, так и самой системе. Причем, с концептуальной точки зрения, целесообразно не различать хранимую информацию и периферийные устройства как источники или получатели информации во время выполнения программы, что тесно связывает систему управления данными (СУД) с системой управления вводом/выводом (СУВВ) в единое целое. Здесь имеется в виду обеспечение возможности взаимодействовать с устройствами ввода/вывода как с файлами.

Основными понятиями СУД являются файл, том и каталог. Логический файл - это организованная совокупность однородных элементов информации или однотипных записей для хранения информации в ИВС, которой присвоено имя. Физический файл - это область внешней памяти, хранящей информацию, и дескриптор файла, используемый для доступа к файлу и хранящий данные о физическом размещении и характеристиках файла.

Файл состоит из записей или последовательности байт. Запись содержит информацию о свойствах одного объекта, значение которого определяется в виде полей (атрибутов). Одно или несколько полей записи, однозначно идентифицирующих запись файла, образуют ключ записи.

Логическим или виртуальным томом памяти (ВТП) называется область внешней памяти (раздел) на физическом томе, организованный аналогично тому прямого доступа (ТПД), то есть имеющий свою метку и совокупность хранящихся файлов. Появление ВТП обусловлено появлением накопителей на магнитном диске (НМД) большой емкости, многопользовательских режимов и концепции виртуальных машин.

Большая емкость ТПД, размещение на них файлов многих пользователей создали в СУД следующие трудности:

- конфликты одноименных файлов разных пользователей;

- замедление работы ОС из-за поиска требуемого файла в оглавлении;

- доступность чужих файлов, то есть их незащищенность от других пользователей.

Это привело к появлению на ТПД иерархических, многоуровневых каталогов (справочников) файлов, где корневой, главный каталог - это оглавление тома, а подчиненные или каталоги нижнего уровня - это справочники группы файлов, объединенных по какому-либо признаку. Можно сказать, что каталог является виртуальным оглавлением раздела ТПД внешней памяти.

Итак, файл, том и каталоги - это логические объекты, обрабатываемые пользователем и программами ВС, и одновременно физические объекты, каждый из которых занимает некоторое пространство ТПД. В соответствии с этим СУД подразделяется на два уровня представления информации.

1. Система управления файлами (СУФ), которая обеспечивает удобное логическое представление и средства работы с файлами.

2. Система управления внешней памятью, которая обеспечивает эффективное размещение, физическое представление и надежное хранение данных на томах внешней памяти.

Система управления файлами

Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

- совокупность всех файлов на диске;

- наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

- комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

СУФ реализует выполнение следующих базовых функций:

1. Организацию логической системы в виде томов памяти и каталогов файлов.

2. Управление томами, в том числе: форматирование, подключение, отключение.

3. Управление каталогами файлов: создание каталогов, переключение между каталогами, удаление каталогов.

4. Манипуляции с файлами: создание, удаление, открытие, закрытие, копирование и переименование.

5. Связь файлов и потоков ввода/вывода, соединение и переадресацию потоков.

6. Организацию логической структуры файлов и доступа к записям файлов в требуемом порядке.

7. Модификацию записей файлов: читать, писать, изменять, вставлять, добавлять, удалять записи.

8. Защиту файлов от несанкционированного доступа и управление правами доступа.

Кроме того, может быть масса сервисных функций проверки и модификации различных характеристик файлов, каталогов, томов, зависящих от конкретной реализации СУФ.

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Специальные файлы - это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы так же, как и устройства ввода-вывода, делятся на блок-ориентированные и на байт-ориентированные.

Для решения проблем поиска и размещения файлов в СУФ используются иерархические, многоуровневые каталоги файлов, двухуровневые имена файлов и средства фильтрации.

Простой одноуровневый каталог представляет собой оглавление тома (используется в однопользовательских ОС)

Иерархический, многоуровневый каталог (древовидный или сетевой) - это совокупность каталогов и дескрипторов файлов различной глубины. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог, и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов. В MS-DOS каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX'е - сетевую. Как и любой другой файл, каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем, содержащим цепочку символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Обеспечение аппаратно - программного интерфейса

В компьютерной системе два участника - программное и аппаратное обеспечение. Программное обеспечение - это все программы, которые установлены на компьютере, а аппаратное обеспечение - это узлы и оборудование, которые находятся внутри системного блока или подключены снаружи.

Взаимосвязь между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Взаимодействие между различными узлами - это аппаратный интерфейс, взаимодействие между программами - это программный интерфейс, а взаимодействие между аппаратурой и программами - это аппаратно-программный интерфейс.

Интерфейс (то есть взаимодействие) обеспечивается, если оба участника придерживаются общего протокола. В компьютере аппаратный интерфейс обеспечивают изготовители оборудования. Они следят за тем, чтобы все узлы имели одинаковые разъемы и работали с одинаковыми напряжениями. Но когда дело доходит до взаимодействия между программами и устройствами (аппаратно - программный интерфейс) или между различными программами (программный интерфейс), то проследить за соблюдением протоколов некому. Программисты, пишущие программы, не знают, какое оборудование стоит на каждом компьютере, а изготовители оборудование не знают, с какими программами ему придется работать. Согласование между программным и аппаратным обеспечением берет на себя операционная система.