Раздел 2 Операционная система ms-dos
Т е м а 2.1 Организация хранения данных. (презентация)
Принципы хранения данных в операционной системе MS-DOS. Логическая и физическая структура дисков.
Краткая история операционной системы MS-DOS, получившей широчайшее распространение во всем мире и используемой в количестве, по разным оценкам, от 100 до 150 млн. экземпляров, начинается со скромной системы 86-DOS, написанной в середине 80-х годов Т. Петерсоном для компании Seattle Computer Products.
В июле 1981 г. фирма Microsoft приобрела права на систему 86-DOS, существенно переработала ее и выпустила на рынок под названием MS-DOS (Microsoft Disk Operating System). Когда осенью 1981 г. появились первые персональные компьютеры фирмы IBM, система MS-DOS 1.0 и ее аналог фирмы IBM PC-DOS 1.0 быстро стали основными системами для этих машин. В то же время непрерывное развитие аппаратных средств компьютеров и накопление опыта работы с ними привели к необходимости столь же непрерывного совершенствования исходных систем MS-DOS и PC-DOS. В дальнейшем они развивались параллельно и их новые версии соответствовали друг другу. К настоящему времени выпущено уже 6 версий MS-DOS (и еще большее число вариантов, если считать подверсии) и готовится к выпуску MS-DOS 7.O.
Первое серьезное усовершенствование MS-DOS (версия 2.0) было выполнено в 1983 г. Фактически была выпущена новая операционная система, хотя разработчикам удалось обеспечить полную совместимость с MS-DOS 1.0.
Система MS-DOS 3.0 появилась в августе 1984 г., одновременно с выпуском компьютеров IBM PC/AT на базе процессоров 80286. Начиная с этой версии, в MS-DOS входит поддержка расширенной памяти, жестких дисков увеличенного объема, разделяемых файлов (команда SHARE).
Начиная с версии 3.1, выпущенной в ноябре 1984 г., в MS-DOS включается поддержка сетевых структур. В версиях MS-DOS 3.2, и особенно 3.3, получили дальнейшее развитие возможности установки национальных форматов, введена поддержка дискет диаметром 3,5 дюйма и жестких дисков с емкостью более 32 Мбайт за счет создания на них нескольких разделов по 32 Мбайт (или менее) каждый, включен ряд новых команд и утилит (APPEND, CALL, CHCP, FASTOPEN, NLSFUNC, REPLACE, XCOPY), а также драйверов устройств (DISPLAY.SYS, DRIVER.SYS).
В 1988 г. появилась версия MS-DOS 4.0, для которой фирма Microsoft разработала собственную оболочку SHELL (в версии 4.01 был разработан русифицированный вариант оболочки). Кроме этого, в версию 4.01 включена поддержка разделов на жестких дисках, превышающих 32 Мбайт, средства эмуляции дополнительной памяти, а также ряд новых команд (APPEND, MEM, TRUNAME).
В MS-DOS версии 5.0 существенно улучшена поддержка расширенной и дополнительной памяти, усовершенствована оболочка SHELL, включен улучшенный интерпретатор QBASIC (вместо утилит BASIC и BASICA предыдущих версий), добавлен ряд новых команд, утилит и драйверов (DOSKEY, EDIT, FC, HELP, MIRROR, SETVER, UNDELETE, UNFORMAT, HIMEM.SYS, RAMDRIVE.SYS, SMARTDRV.SYS). Пожалуй, наиболее привлекательной чертой MS-DOS 5.0 явилась возможность организации на компьютерах с расширенной памятью специальных областей — области старшей памяти (НМА) и блоков верхней памяти (UMB), куда можно загружать устанавливаемые драйверы, резидентные программы и большую часть самой DOS. Это позволяет существенно увеличить объем памяти, отводимой прикладным программам (до 600—610 Кбайт), и в настоящее время является общепринятой методикой конфигурирования системы.
Операционная система MS-DOS 6.0, выпущенная в 1993 г., вобрала в себя все лучшие качества предыдущих версий и.отвечает современным взглядам на программные продукты для персональных компьютеров. Из MS-DOS 6.0 удалены некоторые устаревшие средства. Утилиты имеют развитый интерфейс пользователя, могут управляться как от клавиатуры, так и мышью, включают контекстные справочники и элементы обучающих систем. В MS-DOS 6.0 входят следующие утилиты:
оболочка MS-DOS SHELL — многофункциональная программа, существенно упрощающая работу пользователя с файлами, каталогами и программами и предоставляющая ему ряд дополнительных возможностей, отсутствующих в самой DOS, например объединение программ в программные группы, защита их паролем, организация многозадачного режима с удобным переключением между задачами и другие;
утилита резервного копирования MS BACKUP, осуществляющая получение резервных (архивных) копий файлов жесткого диска на архивных дискетах. Утилита обеспечивает все основные режимы резервного копирования (полное, инкрементное и разностное) и отличается высокой эффективностью;
утилита DEFRAG, служащая для оптимизации файловой структуры на диске путем дефрагментации файлов и диска в целом;
антивирусная программа-утилита MSAV, позволяющая вылечить диск, инфицированный вирусами;
утилита MSD для получения технической информации о вычислительной системе;
системный отладчик DEBUG, позволяющий отлаживать и изучать работу выполнимых программ, а также выполнять операции с памятью и портами компьютера;
• текстовый редактор MS-DOS EDIT, позволяющий создавать и редактировать текстовые файлы;
интерактивный полноэкранный интерпретатор с языка Бейсик QBASIC;
утилита MEM MAKER, позволяющая организовать оптимальное использование наличной памяти;
• утилита сжатия диска DBLSPACE, осуществляющая сжатие (компрессию) файлов в процессе их записи на диск и автоматическое развертывание при загрузке в память, что позволяет существенно увеличить эффективную емкость диска.
Состав команд MS-DOS 6.0 в целом совпадает с предыдущими версиями, чем обеспечена совместимость версий DOS на уровне интерфейса пользователя. С другой стороны, многие команды DOS приобрели дополнительные свойства; добавлен ряд новых команд.
Совместимость операционных систем. Обычно системное программное обеспечение DOS подстраивается к конкретной машине. При этом оно конструируется так, чтобы могло подойти для любой машины, совместимой с данной (например, для операционных систем PC-DOS или MS-DOS версий COMPAQ или Cordata). Единственная область, где программное обеспечение разных операционных систем дифференцировано, это файл 1O.SYS. Он непосредственно связан с физическим устройством электронного оборудования и организуется независимо каждой фирмой-изготовителем. Однако электронное оборудование разных систем сходно по своему строению, и это обеспечивает совместимость IO.SYS по основным параметрам.
Управление вводом-выводом.
Ввод и вывод — это процессы, осуществляющие пересылку входных и выходных данных. MS-DOS предусматривает достаточно сложное программное обеспечение для управления этими процессами по желанию пользователя. Управление данными осуществляется с помощью процедур, называемых направленный ввод и вывод, фильтры и коммуникации. Используя эти процедуры, пользователь может организовать свою линию передачи информации. Он может адресовать поток информации на любое устройство или в любое место памяти, упорядочить информацию, пропустив ее через фильтр, направляя затем выходной поток, например, на вход системной программы или обработчика команд.
Стандартные устройства ввода-вывода.
Для ввода информации в большинстве случаев используют клавиатуру. В результате выполнения большинства операций полученные данные выводятся на экран дисплея. Поэтому клавиатура считается стандартным устройством ввода, а экран — стандартным устройством вывода.
MS-DOS предусматривает средства, позволяющие назначать нестандартные устройства ввода или вывода, Такие устройства называются периферийными устройствами ввода/вывода, т. к. они являются внешними по отношению к машине.
Основные составные части MS-DOS.
MS-DOS состоит из следующих компонент:
блок начальной загрузки;
модуль взаимодействия с BIOS (io.sys для версии 5.0 и выше);
модуль обработки прерываний (msdos.sys для версии 5.0 и выше);
командный процессор (command.com);
внешние команды (программы) MS-DOS;
драйверы устройств;
файл config.sys;
файл autoexec.bat.
Базовая система ввода-вывода (BIOS) находится в постоянной памяти (постоянном запоминающем устройстве, ПЗУ) компьютера. Эта часть операционной системы является «встроенной» в компьютер. Ее назначение состоит в выполнении наиболее простых и универсальных услуг операционной системы, связанных с осуществлением ввода-вывода. Базовая система ввода-вывода содержит также тест функционирования компьютера, проверяющий работу памяти и Устройств компьютера при включении его электропитания. Кроме того, базовая система ввода-вывода содержит программу вызова загрузчика операционной системы.
Блок начальной загрузки — это короткая программа, находящаяся в первом секторе каждой дискеты с операционной системой DOS. Функция этой программы заключается в считывании в память еще двух модулей операционной системы, которые и завершают процесс загрузки DOS.
На жестком диске (винчестере) загрузчик операционной системы состоит из двух частей. Это связано с тем; что жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (логических дисков). Первая часть загрузчика находится в первом секторе жесткого диска, она выбирает, с какого из разделов жесткого диска следует продолжить загрузку. Вторая часть загрузчика находится в первом секторе этого раздела, она считывает в память модули DOS и передает им управление. Загрузчик просматривает корневой каталог системного диска. Проверяет, являются ли первые два файла в каталоге файлами io.sys и msdos.sys. Если да — загружает их в ОЗУ и передает управление MS-DOS. Если нет — сообщение на экране и ожидание нажатия какой-либо клавиши пользователем:
Файлы io.sys и msdos.sys загружаются в память загрузчиком операционной системы и остаются там постоянно.
Модуль взаимодействия с BIOS (io.sys) — это резидентный модуль (всегда находится в ОЗУ после загрузки). Взаимодействует с BIOS. Расширяет возможности BIOS или изменяет ее свойства (где необходимо) с помощью дополнительных драйверов.
Модуль обработки прерываний (msdos.sys) — это резидентный модуль, который обеспечивает интерфейс высокого уровня для прикладных программ, содержит программные средства для управления файлами, устройствами ввода-вывода, обработки исключительных ситуаций (ошибок) и др. Прикладная программа вызывает функции этого модуля через механизм прерываний, передавая (принимая) информацию к (от) MS-DOS через регистры центрального процессора или (и) области памяти ОЗУ. Msdos.sys транслирует (переводит) запрос прикладной программы в один или несколько вызовов, адресованных к io.sys и BIOS.
Командный процессор DOS обрабатывает команды, вводимые пользователем. Командный процессор находится в дисковом файле СOMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система. Некоторые команды пользователя, например type, dir командный процессор выполняет самостоятельно. Такие команды называются внутренними. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор отыскивает на дисках программу с соответствующим именем и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о готовности к выполнению команд (приглашение DOS).
Командный процессор состоит из 3 частей:
резидентной — она размещается в ОЗУ сразу после msdos.sys, включает процедуры обслуживания некоторых прерываний, процедуры обработки стандартных ошибок MS-DOS, процедуру загрузки транзитной части командного процессора;
инициализирующей — в ОЗУ она следует сразу за резидентной частью, во время загрузки ОС ей передается управление, она выполняет файл autoexec.bat и некоторые другие действия. Эта часть командного процессора стирается из ОЗУ первой же загруженной программой;
транзитной (загружается в старшие адреса ОЗУ; обрабатывает все внутренние команды, команды с клавиатуры и из bat-файлов; выдает системную подсказку MS-DOS, загружает в ОЗУ программы и передает им управление).
Внешние команды (программы) — дополнительные программы, входящие в MS-DOS, выполняющие определенные функции. Это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов, которые выполняют действия обслуживающего характера, например форматирование дискет, проверку дисков и т. д.
Драйверы устройств — это специальные резидентные программы, которые дополняют систему ввода-вывода DOS и обеспечивают облуживание новых или нестандартное использование имеющихся устройств.
Файл конфигурации системы config.sys. Текстовый файл, содержащий информацию о подгружаемых дополнительных драйверах и некоторую другую информацию, касающуюся непосредственно MS-DOS и выполняемых в ее среде прикладных программ. MS-DOS выполняет этот файл автоматически, сразу после загрузки command, com.
Файл автозапуска программ при загрузке ОС (autoexec.bat). Текстовый файл, содержащий дополнительную настроечную информацию. MS-DOS выполняет этот файл автоматически, сразу после выполнения config.sys.
Начальная загрузка MS-DOS.
При включении ПК вначале выполняются программы BIOS.
После тестирования и других действий процедура POST (Power On Self Testing — самотестирование после включения питания — из модуля BIOS) осуществляет поиск и загрузку блока начальной загрузки.
Блок начальной загрузки производит поиск в корневом каталоге системной дискеты (диска) файлов io.sys и msdos.sys.
Блок начальной загрузки производит загрузку файла io.sys и передает ему управление.
io.sys выполняет следующие действия:
загружает и настраивает msdos.sys;
определяет состояние подключенных устройств;
инициализирует подключенные устройства;
загружает необходимые драйверы устройств;
передает управление msdos.sys.
msdos.sys выполняет следующие действия:
инициализирует (настраивает) свои внутренние рабочие таблицы;
загружает драйверы, указанные в файле config.sys;
загружает командный процессор (файл command.com).
Командный процессор «выполняет» команды, указанные в файле autoexec.bat, выдает на экран монитора системную подсказку MS-DOS и ожидает команд пользователя.
Файловые системы MS-DOS.
Одно из основных понятий файловой системы MS-DOS — логический диск. В некотором приближении можно считать, что это отдельный магнитный диск. Каждый логический диск имеет свое уникальное имя.
В качестве имени логического диска используются буквы английского алфавита от А до Z (включительно). Количество логических дисков, таким образом, не более 26. Буквы А и В отведены строго под имеющиеся в IBM PC дисководы гибких магнитных дисков (НГМД, FDD). Начиная с буквы С: именуются логические диски (разделы) НЖМД (HDD), затем — дисководы оптических дисков (CD ROM). В случае, если Данный компьютер имеет только один НГМД, буква В: пропускается. Только логические диски А: и С: могут быть системными (содержать модули MS-DOS).
Для обеспечения доступа к файлам — файловая система MS-DOS организует и поддерживает на логическом диске файловую систему FAT.
Физическое размещение ОС MS-DOS: 0-й сектор — загрузчик, 1 —18-й секторы — основная и дублирующая таблицы FAT, 19—20-й секторы — корневой каталог, 33—... IO.SYS, MSDOS.SYS.
MS-DOS обеспечивает две технологии обслуживания файлов. Первая была разработана при создании версий 1.Х. Эта технология основана на использовании структур данных, называемых блоками управления файлом (FCB). В то время подавляющее большинство компьютеров работало под управлением операционной системы СРМ. Блоки FCB обеспечивали совместимость файлов MS-DOS с файлами этой системы. При разработке MS-DOS версий 2.Х, когда была предложена иерархическая структура организации файлов, была разработана вторая технология их обслуживания. Она основана на использовании ссылок на управляющую запись файла и не требует организации FCB.
Управление оперативной памятью.
Память состоит из отдельных элементов, каждый из которых предназначен для хранения минимальной единицы информации — одного байта. Каждому элементу соответствует уникальный числовой адрес. Первому элементу присвоен адрес 0, второму — 1 и т. д., включая последний элемент, адрес которого определяется общим количеством элементов памяти минус единица.
Процессор компьютера делит память на блоки, называемые сегментами. Каждый сегмент занимает 64 Кбайт и каждому сегменту соответствует уникальный числовой адрес. Процессор имеет четыре регистра сегмента. Регистр — это участок сверхоперативной памяти процессора, предназначенной для хранения информации. Регистры сегмента предназначены для хранения адресов отдельных сегментов. Они называются CS (сегмент кода), DS (сегмент Данных), SS (сегмент стека) и ES (запасной сегмент).
Доступ к памяти.
Доступ к ячейкам памяти осуществляется посредством соединения содержимого регистра сегмента с содержимым того или другого регистра. Таким образом определяется адрес требуемого участка памяти. Например, адрес следующей команды определяется содержимым регистров CS и IP (записывается «CS:IP»). После выполнения команды и ее удаления из памяти содержимое IP изменяется так, чтобы в регистрах CS IP находился адрес команды, которая будет выполнена после данной.
Способ объединения регистров для определения адреса ячейки памяти не накладывает ограничений на количество доступной памяти. Верхнее ограничение зависит от физического строения памяти (т. е. от общего количества ячеек). Первые версии MS-DOS разрабатывались для процессора Intel 8088 CPU. Каждый регистр этого процессора рассчитан на хранение 16-битового числа. То есть CPU 8088 комбинирует содержимое сегментного регистра (скажем, CS) с содержимым другого регистра (скажем, IP), получая 20-битовый адрес памяти, что ограничивает доступную память до 220 байтов или 1 Мб.
Позже появились усовершенствованные процессоры CPU 80286 и 80386 и соответственно им усовершенствованные версии MS-DOS, позволяющие производить доступ к ячейкам, расположенным за пределом 1 Мб памяти.
Доступ к памяти организуется соединением содержимого одного из регистров сегмента с содержимым одного из оставшихся регистров. Значение сегментного регистра называется адресом сегмента. Значение остальных регистров в этом случае называется относительным адресом ячейки памяти (от начала сегмента) или ее коротким адресом. Таким образом, адрес байта вычисляется посредством умножения адреса сегмента на 16 и к полученному значению добавляется короткий адрес.
Логическая структура дисков
Форматирование дисков. Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска.
Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.
После форматирования гибкого диска 3,5" его параметры будут следующими (рис. 4.24):
информационная емкость сектора - 512 байтов;
количество секторов на дорожке - 18;
дорожек на одной стороне - 80;
сторон - 2.
|
Рис 4.24. Физическая структура дискеты |
Логическая структура гибких дисков. Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов (емкостью 512 байтов), каждый из которых имеет свой порядковый номер (например, 100). Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки.
На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.
При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла - это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске.
Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках. Например, Файл_1 объемом 2 Кбайта может занимать сектора 34, 35 и 47, 48, а Файл_2 объемом 1 Кбайт - сектора 36 и 49.
Таблица 1.4. Логическая структура гибкого диска формата 3,5" (2-я сторона) |
|
Для того чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных.
Запись о файле содержит имя файла, адрес первого сектора, с которого начинается файл, объем файла, а также дату и время его создания (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Структура записей в каталоге |
|
Полная информация о секторах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов (FAT - File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству секторов на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, то есть последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.
Например, для двух рассмотренных выше файлов таблица FAT с 1 по 54 сектор принимает вид, представленный в табл. 4.6.
Таблица 4.6. Фрагмент FAT |
|
Цепочка размещения для файла Файл_1 выглядит следующим образом: в начальном 34-м секторе хранится адрес 35, в 35-м секторе хранится адрес 47, в 47-м - 48, в 48-м - знак конца файла (К).
Для размещения каталога - базы данных и таблицы FAT на гибком диске отводятся секторы со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.
Виды форматирования. Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование. Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.
Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.
Стандартное форматирование гибкого диска
1. В контекстном меню выбрать пункт Форматировать. Откроется диалоговая панель Форматирование. С помощью переключателя Способ форматирования выбрать пунктПолное.
В поле Метка можно ввести название диска. Для получения сведения о результатах форматирования установить флажок Вывести отчет о результатах. Щелкнуть по кнопке Начать.
|
2. После окончания форматирования диска появится информационная панель Результаты форматирования.
Вы увидите, что доступный для размещения данных информационный объем диска оказался равен 1 459 664 байта (2047 секторов), а системные файлы и поврежденные сектора отсутствуют.
|
В целях защиты информации от несанкционированного копирования можно задавать нестандартные параметры форматирования диска (количество дорожек, количество секторов и др.). Такое форматирование возможно в режиме MS-DOS.
Нестандартное форматирование гибкого диска
1. Ввести команду [Программы-Сеанс MS-DOS]. Появится окно приложения Сеанс MS-DOS.
2. Ввести команду нестандартного форматирования гибкого диска А:, на котором будет 79 дорожек и 19 секторов на каждой дорожке:
Информационная емкость гибких дисков. Рассмотрим различие между емкостью неформатированного гибкого магнитного диска, его информационной емкостью после форматирования и информационной емкостью, доступной для записи данных.
Заявленная емкость неформатированного гибкого магнитного диска формата 3,5" составляет 1,44 Мбайт.
Рассчитаем общую информационную емкость отформатированного гибкого диска:
Количество секторов: N = 18 х 80 х 2 = 2880.
Информационная емкость:
512 байт х N = 1 474 560 байт = 1 440 Кбайт = 1,40625 Мбайт.
Однако для записи данных доступно только 2847 секторов, то есть информационная емкость, доступная для записи данных, составляет:
512 байт х 2847 = 1 457 664 байт = 1423,5 Кбайт » 1,39 Мбайт.
Логическая структура жестких дисков. Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.
На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.
Таблица FAT16 может адресовать 216 = 65 536 кластеров. Для дисков большой емкости размер кластера оказывается слишком большим, так как информационная емкость жестких дисков может достигать 150 Гбайт.
Например, для диска объемом 40 Гбайт размер кластера будет равен:
40 Гбайт/65536 = 655 360 байт = 640 Кбайт.
Файлу всегда выделяется целое число кластеров. Например, текстовый файл, содержащий слово "информатика", составляет всего 11 байтов, но на диске этот файл будет занимать целиком кластер, то есть 640 Кбайт дискового пространства для диска емкостью 150 Гбайт. При размещении на жестком диске большого количества небольших по размеру файлов они будут занимать кластеры лишь частично, что приведет к большим потерям свободного дискового пространства.
Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT32, в которой объем кластера принят равным 8 секторам или 4 килобайтам для диска любого объема.
В целях более надежного сохранения информации о размещении файлов на диске хранятся две идентичные копии таблицы FAT.
Преобразование FAT16 в FAT32 можно осуществить с помощью служебной программы Преобразование диска в FAT32, которая входит в состав Windows.
Дефрагментация дисков. Замедление скорости обмена данными может происходить в результате фрагментации файлов. Фрагментация файлов (фрагменты файлов хранятся в различных, удаленных друг от друга кластерах) возрастает с течением времени, в процессе удаления одних файлов и записи других.
Так как на диске могут храниться сотни и тысячи файлов в сотнях тысяч кластеров, то фрагментированность файлов будет существенно замедлять доступ к ним (магнитным головкам придется постоянно перемещаться с дорожки на дорожку) и в конечном итоге приводить к преждевременному износу жесткого диска. Рекомендуется периодически проводить дефрагментацию диска, в процессе которой файлы записываются в кластеры, последовательно идущие друг за другом.