Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Операционные системы и среды. В 2 частях. Ч.1. Курс лекций
.pdf
Рис. 2.1. Взаимодействие интерфейсов пользователя
и операционных систем
Исторически пакетную технологию впервые начали использовать на электромеханических вычислительных машинах
К Цюзе, Г. Айкина, а затем на электронных вычислительных
машинах Эккерта и Моучли, на отечественных ЭВМ Лебедева,
Брусенцова, на ЭВМ IBM-360, на ЕС ЭВМ и т.д. Идея этой технологии проста и состоит в том, что на вход компьютера подается последовательность программ, набитых, например, на перфокартах, и последовательность символов, определяющих
порядок выполнения этих программ. Человек здесь оказывает
незначительное влияние на процесс функционирования ЭВМ.
Он может лишь приостановить ее работу, сменить программу и
снова запустить ЭВМ.
При описанной выше технологии в качестве способа ввода
информации в ЭВМ служит клавиатура, а компьютер выводит
информацию с помощью алфавитно-цифрового дисплея (монитора). Комбинацию «монитор – клавиатура» стали называть
терминалом или консолью. Команды набираются в командной
строке, представляющей собой символ приглашения и мигающий курсор, при этом набранные символы можно стирать
и редактировать. После нажатия на клавишу «Enter» («Ввод»)
ЭВМ принимает команду и начинает ее выполнять. После перехода в начало следующей строки компьютер выводит на монитор результаты своей работы. Наиболее широко командный
интерфейс использовался в ОС MS DOS.
2. ООМУ(окно, образ, меню, указатель) – интерфейс, или
WIMP(window, image, menu, pointer) – интерфейс. Характер-
ной чертой этого интерфейса является то, что диалог пользова-
31
теля с компьютером осуществляется не с использованием командной строки, а с помощью окон, графических образов меню,
курсора и других элементов. Несмотря на то что в этом интерфейсе подаются команды машине, это реализуется через графические образы.
Идея создания графического интерфейса зародилась в средине 1970-х годов в исследовательском центре фирмы Xerox
Palo Alto Research Center (PARC). Предпосылкой для разработки графического интерфейса явилось уменьшение времени
реакции компьютера на команду, увеличение объема оперативной памяти, а также развитие элементной базы, совершенствование технических характеристик ЭВМ и, в частности,
мониторов. После появления графических дисплеев с возможностью вывода любых графических изображений различного
цвета, графический интерфейс стал неотъемлемой частью всех
компьютеров. Постепенно разрабатывались прикладные программы, которые помогали унифицировать использование
клавиатуры и мыши. Слияние этих двух тенденций привело
к созданию такого пользовательского интерфейса, с помощью
которого при минимальных затратах времени и средств на переучивание персонала можно работать с любыми программными приложениями.
Структура WIMP-интерфейса реализована в виде следующих двух элементов:
• простой графический интерфейс;
• полный WINP-интерфейс.
Простой графический интерфейс на первом этапе использования очень походил на технологию командной строки со следующими отличиями:
• при отображении символов в целях повышения выразительности изображения допускалось выделение части символов
цветом, инверсным изображением, подчеркиванием и мерцанием;
• курсор мог быть представлен некоторой областью, выделенной цветом и охватывающей несколько символов и даже часть
экрана;
• реакция при нажатии на любую клавишу во многом стала зависеть от того, в какой части экрана находится курсор;
32
• кроме часто используемых клавиш для управления
курсором стали использовать манипуляторы типа «мышь»,
«трекбол» и т.п., которые позволяли быстро выделять нужную область экрана и перемещать курсор;
• широкое использование цветных мониторов.
Появление простого графического интерфейса совпало с широким распространением ОС MS DOS. Типичным примером его
использования является файловая оболочка Norton Commander
и текстовые редакторы MaltiEdit, ChiWriter, Microsoft Word
для DOS, Лексикон и др.
Создание полного WIMP-интерфейса явилось вторым этапом развития графического интерфейса, который характеризуется следующими особенностями:
• вся работа с программами, файлами и документами про-
исходит в диалоговых окнах;
• программы, файлы, документы, устройства и другие объекты представляются в виде значков (иконок), которые при открытии трансформируются в диалоговые окна;
• все действия с объектами осуществляются с помощью
меню, которое становится основным элементом управления;
• манипулятор выступает в качестве главного средства
управления ПК.
Следует отметить, что при реализации WIMP-интерфейса
предъявляются повышенные требования к производительности компьютера, объему его памяти, качественному растровому
цветному дисплею и программному обеспечению, ориентированному на интерфейс этого вида. В настоящее время WIMPинтерфейс используется практически в каждой операционной
системе, а ОС Microsoft Windows является ярким представителем такого применения.
3. РОЯЗ(речь, образ, язык, знания) – интерфейс, или
SILK(speech, image, language, knowledge) – интерфейс. Этот
интерфейс наиболее приближен к обычной человеческой форме
общения. В рамках этого интерфейса идет обычный разговор
человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя
команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результаты выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Для интерфейса этого вида
33
требуются значительные аппаратурные затраты, поэтому он
находится в стадии разработки и совершенствования и используется пока только в военных целях.
В SILK-интерфейсе для общения человека с машиной используются следующие возможности:
• речевая технология;
• биометрическая технология (мимический интерфейс);
• семантический (общественный) интерфейс.
Речевую технологию стали использовать в середине 1990-х
годов после появления недорогих звуковых карт и широкого распространения технологий распознавания речи. При этой
технологии команды подаются голосом путем произнесения
специальных стандартных слов (команд), которые следует выговаривать четко, в одном темпе с обязательными паузами между
словами. С учетом того что алгоритмы распознавания речи недостаточно развиты, требуется индивидуальная предварительная
настройка компьютерной системы на конкретного пользователя. Это простейшая реализация SILK-интерфейса.
Биометрическая технология («Мимический интерфейс»)
появилась в конце 1990-х годов и в настоящее время находится
на стадии разработки. Для управления компьютером используется выражение лица, направление взгляда, размер зрачка
и другие биометрические характеристики человека. Для идентификации пользователя применяется рисунок радужной оболочки его глаз, отпечатки пальцев и другая уникальная информация, которая считывается с цифровой камеры, а затем
с помощью программы распознавания образов из этого изображения выделяются команды.
Семантический (общественный) интерфейс начали использовать еще в конце 70-х годов ХХ века, с развитием искусственного интеллекта. Его трудно назвать интерфейсом самостоятельного вида, так как он включает в себя и интерфейс
командной строки, и графический, и речевой, и мимический интерфейсы. Основной его особенностью является отсутствие команд при общении с компьютером. Запрос формируется на естественном языке, в виде связанного текста и образов. По сути, это
моделирование общения человека с компьютером. В настоящее
время используется для военных целей.
34
ЛЕКЦИЯ 3.
Современные файловые системы.
Файловая система FAT
Файловая система – это компонент ОС, который отвечает
за внесение данных в массовую память (жёсткий диск, флэшпамять, оптические носители и т.д.).
Основные задачи файловой системы:
• хранение информации;
• структурирование файлов;
• обеспечение прав доступа к данным;
• защита данных;
• создание однородной среды для разных носителей инфор-
мации.
Объектами файловой системы являются файлы и каталоги. В файле хранится информация, он удобен в использовании для программистов и является той единицей, которой ОС
может назначить права доступа. Каталоги содержат файлы
и подкаталоги и позволяют пользователю ОС удобно организовывать файлы в иерархическую структуру.
Каталог – это таблица, в которой содержится по одной записи для каждого находящегося в каталоге файла или подкаталога. Структура записи каталога зависит от файловой системы.
Обычно запись содержит имя файла (или подкаталога) и связанную с файлом информацию, такую как атрибуты, или информацию, необходимую для считывая содержимого файла
из массовой памяти. Каталоги обычно организованы в древовидную структуру. У дерева есть корневой каталог (в системах
Unix обозначается символом «/»), а другие каталоги являются
ветвями корневого каталога (если содержатся непосредственно
в нем), или исходят из корневого каталога. Следовательно, за
исключением корневого каталога, для каждого файла или каталога существует старший каталог, т.е. каталог, к которому
он относится.
Файловая система позволяет ставить в соответствие абстрактную модель файлов и каталогов и их действительное
расположение на диске, для чего формирует на нем соответ-
35
ствующую инфраструктуру. Эти структуры содержат информацию, необходимую для поиска файлов и каталогов на диске. Данные на массовых носителях информации хранятся
секторами. В задачу файловой системы входит организация
секторов в файлы и каталоги, а также учет того, какие секторы заняты, а какие свободны. В новых, более емких массовых
носителях единицы информации, используемые для хранения
файлов, имеют еще больший размер. Современные файловые
системы адресуют данные через структуры фиксированного
размера, такие как блок (Block) или кластер (Cluster). В таких структурах может храниться в несколько раз больше данных, чем в секторе, и, как правило, они являются наименьшими единицами хранения данных в файловой системе. Если
размер файла меньше единицы данных, то под него все равно
выделяется целая единица хранения. Чтение данных большими блоками происходит быстрее, что положительно сказывается на скорости обмена данных.
Ниже перечислены распространенные файловые системы,
используемые для хранения данных на массовых носителях.
• FAT (File Allocation Table) поддерживается ОС Microsoft.
Из-за существенных ограничений, таких как отсутствие информационной безопасности, наличие определенных условий
относительно имени и размера файлов, FAT применяется преимущественно на сменных (Removable) носителях. В этих же
целях применяется и новая версия этой файловой системы –
exFAT (Extennded FAT), которая является преемницей системы FAT32. Если в FAT32 размер файла описывался 32 битами, то в exFAT – 64 битами. Размер тома (Volume) массового
носителя ограничен 2 ТБ в FAT32 и 512 ТБ в exFAT.
• NTFS (New Technology File System) – это современная файловая система, разработанная корпорацией Mirosoft. Файлы
хранятся в кластерах, размер которых по умолчанию составляет 4 кБ. Система NTFS сохраняет все объекты файловой системы в структуру по типу базы данных – Master File Table (MFT),
а также сохраняет на диске лог транзакций для каждого тома,
т.е. сохранение в базу данных изменений файловой системы
происходит не сразу, а постепенно. Данная операция по сохранению лога позволяет восстановить файловую систему после
36
сбоя работы ОС. Помимо этого, лог изменений может быть использован различными приложениями, реализующими индексирование файловой системы, репликацию данных, резервное
копирование, сканеры вирусов и т.д.
• EXT4 (Fourth Extended Fiel System) – широко применяемая
в ОС Linux файловая система, представляющая собой результат
усовершенствования файловых систем предыдущих версий. Система EXT4 поддерживает лог транзакций, тома большого размера и обладает улучшенными показателями производительности.
Далее рассматриваются основные особенности и характе-
ристики файловой системы FAT.
Физическая организация FAT
Логический раздел, отформатированный под файловую си-
стему FAT, включает следующие области (рис. 3.1):
Рис. 3.1. Физическая структура файловой системы FAT
• загрузочный сектор, содержащий программу начальной
загрузки ОС; вид этой программы зависит от ОС, которая будет загружена из этого раздела;
37
• основную копию FAТ, содержащую информацию о размещении файлов и каталогов на диске;
• резервную копию FAT;
• корневой каталог, занимающий фиксированную область
размером в 32 сектора (16 Кбайт), что позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах, так как каждая запись каталога
состоит из 32 байт;
• область данных, предназначенную для размещения всех
файлов и всех каталогов, кроме корневого каталога.
Файловая система FAT поддерживает файлы всего двух типов – обычный файл и каталог. Файловая система распределяет память только из области данных, причем в качестве минимальной единицы дискового пространства использует кластер.
Таблица FAT (как основная копия, так и резервная) состоит
из массива индексных указателей, число которых равно числу
кластеров области данных. Между кластерами и индексными
указателями имеется взаимно однозначное соответствие – нулевой указатель соответствует нулевому кластеру и т.д. Индексный указатель может принимать следующие значения, характеризующие состояние связанного с ним кластера:
• кластер свободен (не используется);
• кластер используется файлом и не является последним
кластером файла; в этом случае индексный указатель содержит номер следующего кластера файла;
• последний кластер файла;
• дефектный кластер;
• резервный кластер.
Таблица FAT является общей для всех файлов раздела. В исходном состоянии (после форматирования) все кластеры раздела свободны и все индексные указатели (кроме тех, которые
соответствуют резервным и дефектным блокам) принимают
значение «кластер свободен». При размещении файла ОС просматривает FAT, начиная с начала, и ищет первый свободный
индексный указатель. После его обнаружения в поле записи каталога «номер первого кластера» фиксируется номер этого указателя. В кластер с этим номером записываются данные файла,
он становится первым кластером файла. Если файл умещается
в одном кластере, то в указатель, соответствующий данному
38
кластеру, заносится специальное значение «последний кластер
файла». Если же размер файла превышает один кластер, то ОС
продолжает просмотр FAT и ищет следующий указатель на свободный кластер. После его обнаружения в предыдущий указатель заносится номер этого кластера, который теперь становится следующим кластером файла. Процесс повторяется до тех
нор, пока не будут размещены все данные файла. Таким образом создается связный список всех кластеров файла.
После форматирования файлы будут размещаться в последовательных кластерах области данных, однако после определенного числа удалений файлов кластеры одного файла окажутся
в произвольных местах области данных, чередуясь с кластерами
других файлов (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Списки указателей файлов в FAT
39
Размер таблицы FAT и разрядность используемых в ней индексных указателей определяются числом кластеров в области
данных. Для уменьшения потерь из-за фрагментации жесткого
диска желательно кластеры делать небольшими, а для сокращения объема адресной информации и повышения скорости обмена – наоборот: чем больше размер кластера, тем лучше. При
форматировании диска под файловую систему FAT обычно выбирается компромиссное решение, и размеры кластеров выбираются из диапазона от 1 до 128 секторов, или от 512 байт до 64 Кбайт.
Очевидно, что разрядность индексного указателя должна
быть такой, чтобы в нем можно было задать максимальный
номер кластера для диска определенного объема. Существует
несколько разновидностей FAT, отличающихся разрядностью
индексных указателей, которая и используется в качестве условного обозначения: FAT12, FAT16 и FAT32. В файловой системе FAT12 используются 12-разрядные указатели, что позволяет поддерживать до 4096 кластеров в области данных
диска, в FAT16 – 16-разрядные указатели для 65 536 кластеров, и в FAT32 – 32-разрядные для более чем 4 миллиардов
кластеров. При этом несколько значений данного индексного
указателя «расходуется» на идентификацию специальных ситуаций, таких как «Последний кластер», «Неиспользуемый
кластер», «Дефектный кластер» и «Резервный кластер».
Форматирование файловой системы FAT12 обычно характерно только в случае применения небольших дисков объемом
не более 16 Мбайт, чтобы не использовать кластеры размером
более 4 Кбайт. По этой же причине считается, что FAT16 целесообразнее применять для дисков объемом не более 512 Мбайт,
а для больших дисков больше подходит FAT32, которая способна использовать кластеры размером 4 Кбайт при работе с дисками объемом до 8 Гбайт и только для дисков большего объема использует кластеры размером 8, 16 и 32 Кбайт. Максимальный
размер раздела FAT16 ограничен 4 Гбайт, такой объем дает возможность сформировать 65 536 кластеров по 64 Кбайт каждый,
а максимальный размер раздела FAT32 практически не ограни-
32
чен – 2
кластеров по 32 Кбайт.
Таблица FAT при фиксированной разрядности индексных
указателей имеет переменный размер, зависящий от объема
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]