Операционная система

Операционная система представляет собой комплекс систем­ных и служебных программных средств. Основная функция операци­онной системы заключается в обеспечении:

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

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

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

Операционная система опирается на базовое программное обес­печение и сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системыпринято называть программы, ориентированные для работы под управлением данной системы.

Даже для одной аппаратной платформы, например, IBMPC, су­ществует несколько операционных систем. Различия между ними можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние различия характери­зуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы. Обычно приложения ориентированы на использование под управлением конкретных операционных систем.

Все операционные системы способны обеспечить как пакетный, так идиалоговый режим работы с пользователем. В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последова­тельность команд. При использовании диалогового режима операционная система находится в ожидании команды пользователя, а, получив ее, исполняет и ждет следующей команды.

При реализации интерфейса пользователя различают неграфи­ческие и графические операционные системы. Неграфические операцион­ные системы реализуют интерфейс командной строки, где основным устройством управления является клавиатура, и команды управления вводят в поле командной строки. Исполнение команды начинается после ее утверждения нажатием клавиши ENTER.

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиа­туры используется мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодейст­вии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши– графичес­кий объект, перемещение которого синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки и многие другие).

Все операционные системы обеспечивают свой автозапуск.

Все современные 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.Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, при­надлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор.Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора, но для дисков большого объема такой подход неэффективен, а для некоторых файловых систем и невозможен. В связи с этим группы секторов объединяют в кластеры.Кластер – наименьшая единица адресации при обращении к данным. Размер кластера строго не фиксирован и зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и некоторые другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файловFAT16, состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая сис­тема позволяет разместить вFAT-таблицах не более 65536 записей (2¹⁶) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайта (64 сектора). Для хранения даже очень маленького файла нужно использовать весь кластер. Если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, в его конце образуется не используемый остаток. Для жестких дисков, объем которых приближается к 2 Гбайт, потери, связанные с неэффективностью такой файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками размером более 2 Гбайт файловая систе­маFAT16работать не может.

Операционные системы семейства Windows, начиная с Win­dows 98 (Windows 2000, Windows XP), поддерживают более совершен­ную версию файловой системы FAT32с 32-разрядными полями. Для дисков до 8 Гб она обеспечивает размер кластера 4 Кб (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows XPспособны поддерживать другую файловую систему –NTFS. В ней служебная информация хранится в Главной таблице файлов (MFT). В системеNTFSразмер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32.

Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерар­хической структуры – людям так удобнее, а все необходимые преобра­зования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции:

• создание файлов и каталогов и присвоение им имен;

• переименование файлов и каталогов;

• копирование и перемещение файлов между дисками и каталогами;

• удаление файлов и каталогов;

• навигация по файловой структуре;

• управление атрибутами файлов.

Файл –это именованная последовательность байтов произ­вольной длины. Создание файла – одна из функций операционной сис­темы, состоящая в присвоении имени и регистрации в файловой системе.

По способам именования различают короткоеидлинноеимя. До появления операционной системы Windows 95 общепринятым спосо­бом именования файлов было соглашение 8.3. По этому соглашению имя файла состоит из двух частей: собственноимениирасширенияимени, разделенных точкой. На имя отводится до 8 символов, а на расширение – до 3 символов. Имя и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются короткими.

Соглашение 8.3.не является стандартом, и поэтому отклонения от правильной формы записи допускаются в ряде случаев операционной системой и ее приложениями. Так, например, в большинстве случаев сис­тема допускает использование некоторых специальных символов (воск­лицательный знак, символ подчеркивания, дефис, тильда и т.п.) и симво­лов русского и других алфавитов.

Основным недостатком «коротких» имен является низкая содер­жательность. Поэтому с появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие длинного имени. Такое имя может содержать до 256 символов, что вполне 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 после последней точки, их может быть и больше трех.

Введение длинных имен потребовало внесения изменений в ор­ганизацию файловых систем на основе FAT. Файловая система на основе FAT с поддержкой длинных имен называется VFAT. Файловая система NTFS поддерживает длинные имена с самого начала.

Наряду с длинным именем операционные системы семейства Windows создают и короткое имя для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование длинных имен в операционных системах семей­ства Windows имеет ряд особенностей:

1. Если длинное имя файла включает пробелы, то в служебных опера­циях его нужно заключать в кавычки. Рекомендуется заменять про­белы символами подчеркивания.

2. В корневой папке диска нежелательно хранить файлы с длинными именами. В файловых системах на основе FAT количество единиц хранения в этой папке ограничено. Чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке.

3. Кроме ограничения на длину имени (256 символов) есть ограниче­ние и на длину полного имени файла (включающего путь доступа к файлу). Полное имя файла не может превышать 260 символов.

4. Прописные и строчные буквы в именах операционная система не различает, но для повышения наглядности отображает по-разному.

5. В длинных именах файлов разрешается использовать символы любых алфавитов, но при передаче файла необходимо согласовать возможность воспроизведения файлов с такими именами.

6. Операционные системы семейства Windows имеют средства для регистрации свойств типов файлов по расширению их имени, поэтому выбор расширения имени файла не является частным делом пользователя. Приложения этих систем предлагает выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически.

Работа с приложениями – важнейшая часть работы операцион­ной системы. Приложения разрабатывают для работы под управлением конкретной операционной системы. Операционная система осуществляет управление установкой, исполнением и удалением приложений.

С точки зрения управления исполнением приложений различают однозадачные и многозадачные операционные системы. Большинство современных графических операционных систем многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают:

• возможность одновременной или поочередной работы нескольких приложений;

• возможность обмена данными между приложениями;

• возможность совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

Для правильной работы приложений они должны пройти опера­цию, называемую установкой, илиинсталяцией. Необходимость в уста­новке связана с тем, что разработчики программного обеспечения не могут заранее предвидеть особенности аппаратной и программной кон­фигурации вычислительной системы, на которой предстоит работать их программам. Установочный (дистрибутивный) комплект приложения яв­ляется полуфабрикатом, из которого в процессе установки и формируется полноценное приложение и настройка на работу именно в данной среде.

Современные графические операционные системы берут на себя управление установкой приложений. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями, обеспечивают доступ устанавливаемым приложениям к драйверам устройств вычисли­тельной системы, формируют общие ресурсы, которые могут использо­ваться разными приложениями, выполняют регистрацию приложений и выделенных им ресурсов.

В операционных системах, реализующих принцип совместного использования ресурсов (например, в системах семейства Windows), процесс удаления приложений тоже происходит под строгим контролем и управлением операционной системы. Нельзя допустить,чтобы при уда­лении одного приложения были удалены ресурсы, на которые опираются другие приложения, даже если ресурсы были когда-то установлены вместе с удаляемым приложением.

Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычисли­тельных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прилагает к нему специальные программные средства управления – драйверы. Драйверы имеютточки входадля взаимодейст­вия с прикладными программами, адиспетчеризация обращений прик­ладных программ к драйверам устройств – одна из функций опера­ционной системы. Выпуская устройство, к нему прилагают несколько драйверов, предназначенных для основных операционных систем.

В операционных системах MS-DOS драйверы устройств загружа­ются как резидентные программы, напрямую работающие с процессором и другими устройствами материнской платы. В этом случае участие опе­рационной системы сводится лишь к тому, чтобы предоставить пользова­телю возможность загрузки драйвера – далее он сам перехватывает прерывания, используемые для обращения к устройству, и управляет его взаимодействием с вызывающей программой.

В операционных системах семейства Windows операционная сис­тема берет на себя все функции по установке драйверов устройств и пере­даче им управления от приложений. Во многих случаях операционная система даже не нуждается в драйверах, полученных от разработчика устройства, а использует драйверы из собственной базы данных. Наибо­лее современные операционные системы позволяют управлять не только установкой и регистрацией программных драйверов устройств, но и про­цессами аппаратно-логического подключения. При некоторых способах подключения устройства к материнской плате(например, через шину PCI) есть техническая возможность установить между ним и материнской платой обратную связь. Это позволяет операционной системе анализиро­вать требования устройств о выделении им ресурсов и гибко реагировать на них, исключая захват одних и тех же ресурсов разными устройствами. Такой принцип динамического распределения ресурсов операционной системой получил название plag-and-play, а устройства, удовлетворяю­щие этому принципу, называютсясамоустанавливающимися.