Операционные системы

Операционная система – это комплекс взаимосвязанных системных программ, предназначенных для обеспечения работоспособности компьютера.

Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера – на жестких или гибких магнитных, а также лазерных дисках. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

В функции операционной системы входит:

• осуществление диалога с пользователем;

• ввод-вывод и управление данными;

• планирование и организация процесса обработки программ;

• распределение системных ресурсов;

• запуск программ на выполнение;

• всевозможные вспомогательные операции обслуживания;

• передача информации между различными внутренними устройствами;

• программная поддержка работы периферийных устройств.

Операционную систему можно также назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные, ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя программную прослойку между ними. В результате этого пользователь освобождаются от очень трудоемкой работы по организации взаимодействия с компонентами компьютера на аппаратном уровне. Операционную систему можно сравнить с электричеством в домашних условиях – оно необходимо для работы бытовой техники, но мы не всегда помним о том, что оно есть.

Каждая ОС имеет свою собственную систему правил и методов хранения информации на различных дисковых носителях. Совокупность этих правил и методов называется файловой системой ОС.

Иначе говоря, файловая система – это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на дисках, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.

Файл – это структура данных, занимающая некоторую именованную область на ВЗУ.

Файлы служат для хранения разных видов информации: компьютерные программы, данные для их работы, драйверы устройств, архивы, текстовые документы, рисунки, электронные таблицы, базы данных и пр.

Файлы идентифицируются именами. Пользователи присваивают файлам осмысленные (в общем случае – символьно-цифровые) имена с учетом тех ограничений, которые ОС накладывает как на длину имени, так и на перечень допустимых в нем символов.

Папка (каталог, директория) – специальный файл, содержащий информацию об обычных файлах, сгруппированных в некоторый единый список по тому или иному признаку либо самим пользователем

В папке (каталоге, директории) кроме перечня входящих в него файлов содержится также системная информация относительно характеристик (атрибутов) этих файлов. Внутри папки (каталога, директории) могут находиться как обычные файлы, так и вложенные в нее папки-потомки, которые в свою очередь могут содержать папки следующего уровня вложенности. Таким способом реализуется иерархическая система вложенных друг в друга папок и файлов.

Для организации доступа к файлу во многих ОС используется один и тот же метод, состоящий в формировании символьной строки – пути доступа, в которой содержится информация о местоположении файла на ВЗУ (например, С:\Program Files\Microsoft Office\ Office\ Samples\ Products.doc).

Полное имя файла состоит из собственно имени файла и расширения (типа), отделенного от него точкой: имя_файла.расширение. Например: project.doc, otchet99.txt, lexicon.com, catalg.ldb, raschet.xls.

Имя файла задается пользователем. Расширение (тип) файла не является обязательным, однако оно указывает, на происхождение файла и его назначение (как правило, задается программой-обработчиком).

Возможность стандартизации (типизации) файлов является важным свойством файловой системы, т.к. по типу файла ОС автоматически определяет его внутренний формат и программу-родителя данного файла. Например, файлы с расширением: .txt, .doc, .rtf – текстовые; .bmp, wmf, .ico – графические и .com, .exe, .bat – исполняемые программы.

Шаблоны имени файла.

Для поиска файлов полезно использовать шаблоны имен. Шаблон имени состоит также как и имя файла из 2-х частей, разделенных точкой. При задании шаблона используются символы-джокеры (метасимволы) * и ?. Причем:

* – заменяет произвольное количество любых;

? – заменяет один произвольный символ.

Например:

*.doc – шаблон для файлов с расширением .doc;

t*.xls – шаблон для файлов, имя которых начинается на букву t, а расширение .xls;

В широком смысле понятие "файловая система" включает в себя:

• 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, копирование, перемещение, удаление (уничтожение), чтение, запись, именование (переименование), поиск и другие операции над файлами.

Разные версии ОС MS Windows являются однопользовательскими многозадачными системами и, хотя их файловые системы разнятся между собой, но все же имеет место, так называемый, принцип совместимости сверху вниз, т.е. более поздняя версия ОС MS Windows поддерживает старые форматы файловых систем, но не наоборот!

• В файловой системе FAT12, используемой ОС MS-DOS версий с 3.0 по 6.22 и ОС MS Windows версий 3.1 и 3.11 длина имен ограничивается схемой 8.3 (не более 8 символов – имя файла и не более 3 символов – расширение имени). В имени файла допускается использовать символы латиницы, цифры и спецсимволы клавиатуры за исключением следующих символов: ` * + = ; : " ' , . ? < > \ / | . Количество файлов или папок в корневом каталоге – не более 128, а в не корневом каталоге – не более 512. Суммарное количество символов в пути доступа к файлу – не более 64.

• В файловой системе FAT16, используемой ОС MS-DOS версий с 3.0 по 6.22 и ОС MS Windows версий 3.1, 3.11 и 95 длина имен также ограничивается схемой 8.3 (не более 8 символов – имя файла и не более 3 символов – расширение имени). В имени файла допускается использовать символы латиницы и кириллицы, цифры и спецсимволы клавиатуры за исключением следующих символов: ` * + = ; : " ' , . ? < > \ / | . Однако использование символов кириллицы все же не рекомендуется, т.к. не всё программное обеспечение уверенно их распознает при работе с файловой системой. Количество файлов или папок в корневом каталоге – не более 512, а в не корневом каталоге – не более 65535. Суммарное количество символов в пути доступа к файлу – не более 128.

• В файловой системе FAT32, используемой ОС MS Windows версий 95 OSR2, 98, ME, 2000 и XP длина имен ограничивается схемой 255.0/0.255 (не более 255 символов суммарно на имя файла и расширение имени). В имени файла допускается использовать символы латиницы и кириллицы, цифры и спецсимволы клавиатуры за исключением следующих символов: * : " ? < > \ / | . Количество файлов или папок в корневом и не корневом каталогах – не ограничено! Суммарное количество символов в пути доступа к файлу – не более 260.

В приведенной ниже таблице показаны предельные возможности каждой из файловых систем по работе с логическими разделами жесткого магнитного диска.

Файловая система	Максим. количество кластеров в разделе	Максимальный объем кластера	Максимальный объем логического раздела
FAT12	212 = 4 096	32 Кбайт	128 Мбайт
FAT16	216 = 65 536	32 Кбайт	2 048 Мбайт = 2 Гбайт
FAT32	227 = 134 217 728	32 Кбайт	4 194 304 Мбайт = 4 096 Гбайт

Рис. 14 Сравнение FAT 16 и FAT32

FAT32 более эффективно использует дисковое пространство. В FAT 16 таблица размещения файлов разделена на блоки по 16 кб. Если блок используется не полностью, оставшийся объем пропадает. В FAT32 объем блоков — 4 кб, поэтому при частичном заполнении блока меньше дискового пространства остается пустым (рис. 14). Кроме того, файловая система FAT16 поддерживает диски размером лишь до 2 Гб, в то время как— до 2 Тб. Большинство Win32-пpилoжeний не надо модифицировать для работы с FAT32. Исключение представляют лишь приложения, использующие низкоуровневые структуры диска.

Windows NT

Windows NT Workstation и Windows NT Server — 32-разрядные операционные системы. Они предназначены для пользователей, заинтересованных в мощной многозадачной операционной среде. Кроме того, Windows NT можно применять для одновременного выполнения множества приложений в многопроцессорных системах. Это очень удобно, так как, пока пользователь работает с активным приложением, фоновые приложения также действуют. Программы в Windows NT выполняются в отдельных областях памяти, поэтому неисправное приложение не влияет на работу других. Более того, архитектура Windows NT защищает операционную систему от приложений, пытающихся монополизировать ресурсы процессора или воспользоваться адресным пространством операционной системы.

Файловая система NTFS

NTFS (от англ. New Technology File System — «файловая система новой технологии») — стандартная файловая система для семейства операционных систем Microsoft Windows NT.

NTFS заменила использовавшуюся в MS-DOS и Microsoft Windows файловую систему FAT. NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в главной файловой таблице — Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей (списки контроля доступа — Access Control Lists (ACL)), а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования USN для повышения надёжности файловой системы.

Файловая система NTFS предпочтительна для компьютеров под управлением Windows NT. Однако иногда на том же компьютере нужно использовать другую файловую систему — например, для работы с другой операционной системой (в этом случае хотя бы один раздел диска должен быть отформатирован соответствующей файловой системой). NTFS поддерживается только на компьютерах под управлением Windows NT.

Преимущество NTFS в том, что она может работать с разделами большого размера. Предельный размер файла на разделе NTFS — 16 экзабайт.

Минимальный размер раздела NTFS — 5 Мб.

Использование NTFS

При применении файловой системы NTFS необходимо иметь в виду следующее:

• в NTFS встроены средства восстановления после сбоя, поэтому пользователям не нужно запускать утилиту восстановления диска на разделе NTFS;

• на разделе NTFS нельзя восстановить удаленный файл;

• при использовании NTFS значительно уменьшаются потери из-за фрагментации файлов;

• NTFS поддерживает модель защиты Windows NT, поэтому все файлы и каталоги на разделе NTFS можно защищать правами доступа и подвергать аудиту;

• из-за падения производительности не рекомендуется применять NTFS на томах размером менее 400 Мб.

NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (от англ. High Performance File System — высокопроизводительная файловая система), создававшейся Microsoft совместно с IBM для операционной системы OS/2. Но, получив такие несомненно полезные новшества, как квотирование, журналируемость, разграничение доступа и аудит, в значительной степени утратила присущую прародительнице (HPFS) весьма высокую производительность файловых операций.

Различают несколько версий NTFS: v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0, v3.0 поставляется с Windows 2000, v3.1 — с Windows XP, Windows Server 2003,Windows Server 2003 R2, Windows Vista, Windows 7 и Windows Server 2008, Windows Server 2008 R2.

Спецификации файловой системы являются закрытыми. Это создаёт определённые трудности при реализации её поддержки в сторонних продуктах, не принадлежащих Microsoft, — в частности, разработчикам драйверов для свободных операционных систем приходится заниматься обратной разработкой системы.

В данный момент полноценная поддержка NTFS присутствует только в ОС Microsoft семейства Windows NT. В других система существуют средства работы с этой файловой системой

Сравнительная таблица файловых систем FAT и NTFS

Ограничения / возможности	NTFS	FAT16 и FAT32
Размеры диска	2^64 байт (16 эксабайт)	приблизительно равняется 8 терабайт
Размер тома	При использовании файловой таблицы Master File Table рекомендуется создавать тома, размеры которых не превышают 2 ТБ, а применение GUID Partition Table позволяет создавать разделы диска размером до 9.4 ЗБ (9.4 × 1021 байт). Выбор файловой таблицы предоставляется при форматировании диска, начиная с версии Windows NT 6.0.	Запись в таблице FAT на томе с файловой системой FAT32 имеет размер 4 байта, поэтому средство ScanDisk не может работать с таблицей FAT на диске FAT32, описывающей более 4 177 920 кластеров (включая два резервных). С учетом самих таблиц FAT и при максимальном размее кластера 32 КБ размер тома может быть до 127,53 ГБ. В Windows 2000 нельзя отформатировать том размером более 32 ГБ с файловой системой FAT32. Драйвер FastFAT для Windows 2000 способен подключать и поддерживать тома размером больше 32 ГБ с файловой системой FAT32 (с определенными ограничениями), но такой том нельзя создать с помощью команды «Format». Для этого следует использовать файловую систему NTFS.
Форматирование дискет	Windows не позволяет форматировать дискеты в NTFS (ntfsflp от Марка Руссиновича позволяет).
Поддержка типов ссылок	NTFS поддерживает жёсткие (Hardlinks) и символьные ссылки, Junctions, Volume Mount Point.	FAT не поддерживает ссылки.
Максимальный размер файла	Теоретически — 264 байт минус 1 килобайт. Практически — 244 байт минус 64 килобайта.	FAT16 поддерживает файлы размером не более 2 ГБ. FAT32 поддерживает файлы размером не более 4 ГБ.
Средства безопасности.	Атрибуты файлов, авторизация с использованием DACL, шифрование с использованием EFS.	Атрибуты файлов.
Аудит	С использованием SACL.	Не поддерживается.
Поддержка сжатия.	На уровне файловой системы для файлов, каталогов и дисков.	На уровне диска (в FAT16). В FAT32 не поддерживается.
Максимальное количество файлов	4 294 967 295 (232 — 1).	В FAT32 не более 268 435 444 (228−12)

Контрольные вопросы:

1. Классификация программного обеспечения ПК.

2. Системное ПО.

3. Инструментальное ПО.

4. Операционная система.

5. Функции операционной системы.

6. Файловые системы.

7. Файловая система FAT12. Файловая система FAT16.

8. Файловая система FAT32.

9. Сравнение FAT32 и FAT16.