Центральный филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский государственный университет правосудия»

Кафедра правовой информатики, информационного права

и естественнонаучных дисциплин

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой,

к.т.н., доцент

А.В. Мишин

«__» ноября 2014 г.

ПЛАН

лекционного занятия

Дисциплина: «МАТЕМАТИКА И ИНФОРМАТИКА»

Тема 10: «Операционная система: структура и

приемы управления»

Разработал:

профессор кафедры

д.т.н., доцент

Л.Е. Мистров

Материалы обсуждены и одобрены

на заседании кафедры ПИИПЕД,

Протокол № _ от «__» ноября 2014г.

Воронеж - 2014

План

и методические указания студентам на лекционное занятие

Тема 10: «Операционная система: структура и приемы управления»

Цели занятия

1. Ознакомить с файловой структурой персонального компьютера.

2. Ознакомить с основными объектами и приемами управления Windows XP.

3. Дать представление о работе с файлами и папками в программе «Проводник».

Учебно-материальное обеспечение

1. План и методические указания студентам на практическое занятие по данной теме.

2. Персональный компьютер, доска, мел.

ПЛАН ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЯ

Учебные вопросы	Время, мин.
Вступительная часть ……………………………………………. 1. Файловая структура и файловые системы …………………… 2. Основные объекты и приемы управления Windows XP …… 3. Работа с файлами и папками в программе «Проводник» ….. Заключительная часть……………………………………………	5 30 20 10 5

Литература:

основная:

1. Мистров Л.Е. Информатика и математика: Информатика: учеб. пособие / Л.Е. Мистров, А.Ю. Кузьмин, С.А. Мишин. – Воронеж: Научная книга, 2007.

дополнительная:

2. Информатика для юристов и экономистов: учебник для вузов / под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2004.

Содержание занятия и методика его проведения

Подготовительная часть. В часы самоподготовки студенты изучают рекомендованную литературу.

1. Файловая структура и файловые системы

Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных и служебных программных средств, предназначенных для обеспечения нормальной работы компьютера. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода); с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней  прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями ОС являются программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем  посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

• интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

• интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

• интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например IBM PC, существует несколько операционных систем. Рассмотрим файловую структуру, основные объекты и приемы управления применительно к наиболее распространенным ОС: MS DOS и Windows XP.

Файловая структура персонального компьютера. Хранение данных предполагает решение двух задач: сохранение данных в наиболее компактном виде и обеспечение к ним удобного и быстрого доступа. Для обеспечения доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру. При этом образуются адресные данные, без них нельзя получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру.

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом  это определенная байтов произвольной длины, обладающая уникальным собственным именем. В отдельном файле хранятся данные, относящиеся к одному типу (в этом случае тип данных определяет тип файла). Поскольку файл может иметь нулевую длину, то создание файла заключается в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе  это одна из функций ОС. Так как в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В основу определения файла особое внимание положено имени, так как оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла хранит и сведения о типе данных, заключенных в нем. Для автоматических средств работы с данными это важно, так как по имени файла (по его расширению) они автоматически определяют адекватный метод извлечения информации из файла.

По способам именования файлов различают «короткое» (на имя файла отводится 8 символов, а на его расширение  3 символа) и «длинное» имя (до 256 символов). Имя файла от его расширения разделяются точкой. Расширение файла является необязательным параметром и может отсутствовать.

В ОС MS DOS имя (не более 8 символов) и расширение (не более 3 символов) могут состоять из прописных и строчных латинских букв, цифр и символов:

 _ $ # & @ ! % ( ) { } ' ~ ^

Следует помнить, что для ОС линии MS DOS:

 между именем и расширением ставится точка, не входящая ни в имя, ни в расширение;

 имя файла можно набирать в любом регистре, т.к. для ОС все буквы строчные;

 символы, не использующиеся в имени файла

* = + [ ] \ ; : , . < > / ?

С появлением ОС Windows 95 было введено понятие «длинного» имени, которое может содержать до 256 символов - этого достаточно для создания содержательных имен файлов. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных:

\ / : * ? " < > |

В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки.

Наряду с «длинным» именем ОС Windows 95/98/Me/2000/XP создают также и короткое имя файла  оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование «длинных» имен файлов в последних ОС Windows имеет ряд особенностей.

1. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки (рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания).

2. В корневой папке диска (на верхнем уровне иерархической файловой структуры) нежелательно хранить файлы с длинными именами  в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения (чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке).

3. Кроме ограничения на длину имени файла (256 символов) существует более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов.

4. Прописные и строчные буквы не различаются ОС (имена Письмо.txt и письмо. txt соответствуют одному и тому же файлу).

5. Программисты давно научились использовать расширение имени файла для передачи ОС, исполняющей программе или пользователю сведений о том, к какому типу относятся данные, содержащиеся в файле, и о формате, в котором они записаны. Приложения систем предлагают выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически.

В зависимости от расширения все файлы делятся на две большие группы: исполняемые и неисполняемые.

Исполняемые файлы  это такие файлы, которые могут выполняться самостоятельно, т.е. не требуют каких-либо специальных программ для их запуска. Имеют следующие расширения: ехе  готовый к исполнению файл; сот  файл операционной системы; sys  файл операционной системы  обычно это драйвер внешнего устройства; bat  командный файл операционной системы MS DOS.

Неисполняемые файлы для запуска требуют установки специальных программ. Так, например, для того чтобы просмотреть текстовый документ, требуется наличие какого-либо текстового редактора. По расширению неисполняемого файла можно судить о типе данных, хранящихся в данном файле.

Кроме имени и расширения имени файла операционная система хранит для каждой файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты  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) и 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.

Атрибутом «Системный» помечаются файлы, обладающие важными функциями для работы 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.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой (рис. 1).

Рис. 1. Иерархическая структура диска

Файловая структура  иерархическая структура, в виде которой операционная система отображает файлы и каталоги (папки).

В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги.

Имена внешних носителей информации. Диски, на которых хранится информация в компьютере, имеют свои имена  каждый диск назван буквой латинского алфавита, а затем ставится двоеточие. Так, для дискет всегда отводятся буквы А: и В:. Логические диски винчестера именуются, начиная с буквы С:. После всех имен логических дисков следуют имена дисководов для компакт-дисков. Например, установлены: дисковод для дискет, винчестер, разбитый на 3 логических диска и дисковод для компакт-дисков.

Каталог (папка)  место на диске (специальный системный файл), в котором хранится служебная информация о файлах (имя, расширение, дата создания, размер и т.д.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Каталог верхнего уровня (надкаталог) по отношению к каталогам более низкого уровня, называют родительским. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска (рис. 1). Каталог, с которым работает пользователь в настоящий момент, называется текущим.

Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих ОС в качестве такого символа используется «\» (обратная косая черта).

Требование уникальности имени файла в средствах вычислительной техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически  создать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, не могут ни пользователь, ни автоматика.

Когда используется файл не из текущего каталога, программе, осуществляющей доступ к файлу, необходимо указать, где именно этот файл находится. Это делается с помощью указания пути к файлу. Путь к файлу  это имя носителя (диска) и последовательность имен каталогов, в ОС Windows разделенных символом «\» (в ОС линии UNIX используется символ «/»). Этот путь задает маршрут к тому каталогу, в котором находится нужный файл.

Для указания пути к файлу каждому файлу дается абсолютное имя пути (полное имя файла), состоящее из имен всех каталогов от корневого до того, в котором содержится файл, и имени самого файла. Например, путь С:\Abby\Doc\otchet.doc означает, что корневой каталог диска С: содержит каталог Abby, который, в свою очередь, содержит подкаталог Doc, где находится файл otchet.doc. Абсолютные имена путей всегда начинаются от имени носителя и корневого каталога и являются уникальными.

Файловые системы. Каждый файл на диске имеет свой адрес. Чтобы понять принцип доступа к информации, хранящейся в файле, необходимо знать способ записи данных на носители информации.

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.

Перед использованием диск размечается на дорожки и секторы (форматируется). С точки зрения оборудования разметка  это процесс записи на носитель служебной информации, отмечающей конец и начало каждого сектора.

Секторы – это блоки, в которых размещаются данные. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации, секторы содержат служебную информацию, например, собственный номер.

Дорожка  концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при перемещении или поиске данных. Дорожки нумеруются с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске.

Обычный объем сектора  512 байт. На одной стороне размещается 80 дорожек. Каждая дорожка содержит 18 секторов.

Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Физическая структура хранения данных представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Физическая структура хранения информации

Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной-файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения информации является сектор. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайта, 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 информации. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Как было отмечено ранее, информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. Контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. Пользователь же использует не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому требуется при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. Для этого установили правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.

Файловая система  это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами, а не просто с участками (секторами) дисков. Файловая система определяет:

• как хранятся файлы и каталоги на диске;

• какие хранятся сведения о файлах и каталогах;

• как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие  нет;

• формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных (размеченных) с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Файловая система, наиболее распространенная на IBM PC-совместимых компьютерах, была введена еще в начале 80-х годов в операционных системах MS DOS 1.0 и 2.0. Эта файловая система достаточно примитивна, так как она была создана для хранения данных на дискетах. Обычно эта файловая система называется FAT, так как самой важной структурой данных в ней является таблица размещения файлов на диске, по-английски  file allocation table, сокращенно  FAT. Эта таблица содержит информацию о том, какие участки (кластеры) диска свободны, и о цепочках кластеров, образующих файлы и каталоги.

В файловой системе FAT имена файлов и каталогов должны состоять не более чем из 8 символов плюс три символа в расширении имени. Она приводит к значительным потерям (до 20%) дискового пространства из-за больших размеров кластеров на дисках высокой емкости. Это связано с тем, что в конце последнего кластера файла остается свободное место, в среднем равное половине кластера. А на больших дисках размер кластеров FAT может достигать 32 Кбайт. Таким образом, на диске емкостью 2 Гбайта с 20000 файлов потери составят 320 Мбайт, то есть около 16%.

При разработке Windows 95 фирма Microsoft решила не вводить новую файловую систему, а доработать имеющуюся файловую систему FAT, позволив присваивать файлам и каталогам длинные имена. Эта файловая система стала называться FAT 32. Принятый в Windows 95 подход хорош тем, что позволяет использовать старые диски с файловой системой FAT  на них просто начинают записываться длинные имена. Но все же это решение весьма искусственное, и многие программы  для починки файловой системы дисков, «сжатия» дисков, резервного копирования и т.д.  могут привести к потере длинных имен на диске. FAT 32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство.

При разработке операционной системы Windows NT была создана новая файловая система  NTFS. Она была ориентирована на диски большого объема, содержащие множество файлов, в них приняты существенные меры по обеспечению эффективности хранения данных и контроля доступа к ним. Эта файловая система поддерживает длинные имена файлов. На логических дисках емкостью 12 Гбайта файловая система NTFS позволяет хранить в среднем на 1015% больше информации, чем FAT, а доступ к файлам в ней осуществляется заметно быстрее, особенно в многозадачной среде.

При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MTF зарезервированы самой NTFS. Местоположение файлов метаданных записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MTF повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В MTF хранятся метаданные, такие как копия первых четырех записей (гарантирует доступ к MTF в случае, если первый сектор поврежден). MTF содержит информацию о томе  метку и номер версии. В MTF находится таблица имен атрибутов и описания, корневой каталог и др. Остальные строки MTF содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе. Разработчики NTFS, не забывая об эффективности, старались также обеспечить надежность файловой системы и восстанавливаемость данных при сбоях. Для этого, в частности, NTFS дублирует всю критически важную информацию и обеспечивает регистрацию всех изменений на дисках в специальном файле регистрации, причем для каждого изменения запоминается и способ его отмены. В результате практически при любых сбоях NTFS автоматически восстанавливается. NTFS также (в отличие от FAT) может работать с логическими дисками и файлами размером более 2 Гбайт  максимальный размер логических дисков и файлов  4х10¹⁸ байт.

Сравнительные характеристики файловых систем представлены в табл. 1. Если файловая система на диске не поддерживается данной операционной системой, то вся информация на этом диске окажется недоступной (при работе в этой операционной системе, естественно). Для таких логических дисков может быть либо вообще не назначена буква (то есть к диску нельзя будет обратиться), либо при любом доступе к диску будет выдаваться сообщение об ошибке.

Особая файловая система разработана для компакт-дисков (CD-ROM). Это оказалось необходимым, так как само физическое устройство компакт-дисков не такое, как у жестких дисков или дискет: в них информация записывается не в кольцевых дорожках, а в единственной спиралеобразной дорожке (как у аудиокомпакт-дисков). Эта файловая система называется CDFS.