Основи роботи операційних систем

Поняття ОС. ОС є сполучною ланкою між прикладним програмним забезпеченням, що служить для виконання конкретних задач користувача, і апаратними засобами ПК.

ОС, наприклад, здійснює перевірку функціонування пристроїв ПК, організує виконання програм, відповідає за збереження інформації, тощо. Вона фактично ховає від користувача складні і непотрібні йому подробиці реалізації низькорівневих операцій (включити/виключити двигун дисководу, встановити читаючі голівки дисководу на визначену доріжку; аналіз особливих ситуацій і відповідна реакція на них і ін.), надаючи більш зручний спосіб для виконання необхідних дій.

Для однієї апаратної платформи зазвичай існує декілька ОС. Насьогодні найбільш відомими для IBM-сумісних ПК є Windows’x, Unix, Linux.

Основні функції ОС:

- організація і обслуговування файлової структури;

- забезпечення інтерфейсу користувача;

- забезпечення взаємодії з апаратними засобами (взаємодія програм з запам’ятовуючими пристроями і один з одним; розподіл ОП);

- забезпечення автоматичного запуску програм;

- обслуговування ПК;

- керування установкою, виконанням та знищенням додатків.

Організація і обслуговування файлової структури.Файлова структура- це спеціальним чином організована структура збереження інформації на диску. В їїосновілежить поняття файлу.Логічно файл являє собою сукупність логічно зв'язаної інформації - логічний файл. На фізичному ж рівні файл (фізичний файл) – це поіменована область диску, що служить для збереження логічно зв'язаного набору інформації (програми, даних, тексту, зображення).

Кожен файл має ім'я і характеризується рядом показників: розміром, датою і часом створення, спеціальними атрибутами. Ім'я файлу задається за визначеними правилами:

ідентифікатор.тип.

Розширення характеризує інформацію, що міститься у файлі, наприклад, .exe, .com - запускаємі файли (готові до виконання програми); .txt, .doc - текстові файли; срp - програми на С++ і т.ін.

Для задання групи однотипних файлів (наприклад, для їх копіювання / знищення) використовують шаблон - поелементний опис загального імені групи файлів. При цьому співпадаюча частина імен групи вводиться явно; для задання літер, що розрізняються, використовуються символи “?” (будь-який символ) і “*” (будь-яка кількість будь-яких символів). Наприклад,

a?b.pas - група pas-файлів, імена яких складаються з трьох символів, починаються на "а" і закінчуються на "b";

*.срр - усі файли типу срр;

*.* - усі файли.

Файли групуються в папки (каталоги), усередині яких можуть бути створенівкладені папки. Це дозволяє спростити процес пошуку файлу і упорядкувати дисковий простір.Папка (каталог,директорія) - це спеціальний файл, призначений для збереження імен і показників групи логічно взаємозв’язаних файлів.Той факт, що файли логічно входять в один каталог, не означає, що на диску вони фізично займають зв'язану область.

Збереження файлів на диску організується у вигляді ієрархічної структури:

Кореневий 1 рівень 2 рівень

Вершиною структури є ім'я носія (диску).

СучасніПК містять одночасно декілька різних накопичувачів дисків: дисководи, вінчестер, НОД, тощо. При цьому вінчестер може бути поділений на декілька логічних дисків. Для звернення до різних дисків використовуються відповідні літери латинського алфавіту:

А:іВ:– для дисководів (дискет);

С: ... Z: – для логічних дисків вінчестера, НОД, тощо.

Файли з однаковими іменами можуть входити до різних каталогів одного і того ж диску. Для точної ідентифікації файлу необхідно вказати його повне ім'я:

C: \ MSOFFІCE \ WORD \ lek_vt. doc.

Основні функції обслуговування файлової структури:

• створення, копіювання/переміщення, перейменування, знищення/відновлення файлів і каталогів;

• перегляд їх вмісту;

• навігація по файловій структурі (пошук і доступ до заданого файлу / каталогу).

Інформація на диск записується у вигляді концентричних кіл (доріжок), поділених на сектори. Нумерація доріжок виконується ззовні до середини (від 0 до 79). Сектори нумеруються, починаючи з 1 (рис.2).

Рис.12Структура диску

Сектор (512 б) - найменша одиниця читання/запису інформації на диск. Група суміжних секторів утворює кластер. Кластер – це найменша одиниця адресації до даних (файл не може займати менш ніж 1 кластер).

Структурно файл – це сукупність кластерів, які не обов’язково розміщуються послідовно. Запис інформації в файл виконується відповідно до наявних вільних кластерів, починаючи з початку диску:

Дані про розміщення файлів на диску зберігаються у спеціальній таблиці розміщення файлів (наприклад, FAT), яка використовується ОС для доступу до файлів. Така таблиця містить список кластерів (адреси) та їх характеристики (enable / dіsable, мітку кінця / початку файлу або адресу наступного кластера файлу, тощо).

Розрядність полів таблиці розміщення файлів визначає можливості незалежної адресації дискового простору (кількість кластерів). Наприклад, FAT 16 може адресувати 65 536 (2¹⁶) різних кластерів (максимальнийрозмір таблиці – 128 Кб,не може працювати з дисками, розмір яких перевищує 2 Гб), тоді як FAT 32 - кластери.

Вибір кластера, а несектора, як найменшої одиниці адресації до даних обумовлений тим, що наявними засобами ОС неможливо забезпечити адресацію до кожного окремого сектора диску (512 б). Так дискоб’ємом1 Гб містить 2 097 152секторівдля індивідуальної адресації яких потрібен 21розряд; тоді розмір FAT – біля 5 Мб.

Розмір кластеру на відміну від розміру сектора,не фіксований і залежить від розрядності таблиці розміщення файлів та ємності диску. Так у файловій системіFAT 16 для диску об’ємом 2 Гб він складає 32 Кб (64 сектора), файлова система FAT 32 для диску розміром8 Гб забезпе­чує розмір кластера 4 Кб (8 секторів), що є більш раціональним, оскільки файл, розміщуючись в декількох кластерах, має деякий залишок, який нераціонально витрачає цілий кластер (втрати, пов'язані із неефективністю FAT 16 складають 25%  40% повної ємності диску).

Порушення таблиці розміщення файлів приводить до неможливості звернення до даних, записаних на диску. Тому до неї пред'являються особливі вимоги по надійності і вона існує в декількох екземплярах, ідентичність яких регулярно контролюється засобами ОС.

Створюється таблиці розміщення файлів при форматуванні диску. Форматування– це процес створення на диску структури, зрозумілої ОС.

Диск, на якому зберігається ОС називається системним.Системнаінформація зазвичай міститься на дискуС:- вінчестері (якщо ж він розділений на логічні диски, то на першому із них).

Забезпечення інтерфейсу користувача. Розрізняють неграфічні і графічні ОС. Неграфічні ОС реалізують інтерфейс командного рядка (MS-DOS), графічні - інтерфейс, що базується на взаємодії елементів керування (покажчик миші, кнопки, перемикачі, списки, тощо).

Незалежно від способу введення команд, вони сприймаються командним процесором (COMMAND.COM), перевіряються на відповідність синтаксису, і потім виконуються. Командний процесор – це програма, що служить для аналізу і виконання команд ОС, включаючи запуск готових програм.

Забезпечення взаємодії з апаратним забезпеченням.На апаратному рівні керування зовнішніми пристроями здійснюють контролери. Функцію ж програмного керування цими пристроями виконуютьдрайвери.Драйвер– це програма, яка керує роботою окремого зовнішнього пристрою.

Кожен тип зовнішнього пристрою обслуговується індивідуальним драйвером. Драйвери пристроївпрацюютьяк резидентні програми⁴.

При організації взаємодії з апаратними засобами роль ОС зводиться лише до того, щоб надати користувачеві можливість завантажити драйвер - далі він сам організовує звертання до пристрою і керує його роботою.

Драйвери стандартних пристроїв ПК входять до складу BІOS і зберігаються в ПЗП. Драйвери інших зовнішніх пристроїв зберігаються на системному диску в спеціальному файлі (ІO.SYS) і підключаються до ОС при її завантаженні.

Обслуговування ПК. ОС підтримує дії по перевірці дисків на цілісність файлової структури, наявність фізичних дефектів поверхні диску, оптимізацію дискового простору, тощо.

Засоби перевірки дисків поділяються на засоби логічної перевірки (цілісності файлової структури) і засоби фізичної діагностики поверхні. Логічні помилки, як правило, усуваються засобами самої ОС, фізичні ж дефекти поверхні диску тільки локалізуються, тобто ОС бере до уваги факт ушкодження певних секторів і виключає їх із роботи. В ОС типу MS-DOS для діагностики і корекції дефектів на дисках використовуються утиліти – спеціальні програми, що розширюють можливості ОС (CHKDSK, SCANDІSK, NORTON DІSK DOCTOR). У Wіndows ця функція включена в ядро ОС.

Хоча ОС і може працювати з файлом, кластери якого розкидані по всьому диску, упорядкування кластерів, що відносяться до одного файлу, істотно прискорює роботу з ним. Крім цього збільшується вільне місце на диску. Тому рекомендується періодично усувати фрагментацію файлів, тобто дефрагментувати диск. Дефрагментація диску – це упорядкування дискового простору при якому кластери, що відносяться до одного файлу, займають зв’язані області.

У середовищі MS-DOS для дефрагментації дисків використовуються утиліти-дефрагментатори (DEFRAG, NORTON SPEED DІSK). У Wіndows ця функція включена в ядро ОС.

Керування установкою, виконанням і знищенням додатків. З точки зору керування виконанням додатків, розрізняють однозадачні і багатозадачні ОС.

Однозадачні ОС допускають одночасне виконання на ПК тільки одного програмного додатка (МS-DOS). У той же час паралельно з однозадачними ОС можлива робота резидентних програм (наприклад, драйверів), що не спираються на ОС, а працюють безпосередньо із мікропроцесором, використовуючи його систему переривань. Роль ОС у цьому випадку зводиться лише до диспетчеризації звертань прикладних програм до драйверів.

Більшість сучаснихОС -багатозадачні. Вонизабезпечують одночасну роботу на одному ПК декількох програмних додатків, а також можливість обміну даними між ними (Windows'x, UNІХ, OS/2).

Застарілі ОС (MS-DOS) не мають засобів для керування установкою/знищенням програмних пакетів, оскільки орієнтовані на підтримку роботи самозабезпечених додатків. До дистрибутивного комплекту в цьому випадку додається спеціальна програма (setup), що реалізує установку пакету. Правильність його прив'язки до обчислювальної системи залежить від того, наскільки розробник програмного забезпечення зумів передбачити можливі варіанти її конфігурації. Процес знищення такого пакету зводиться до видалення каталогу, у якому він розміщений.

Сучасні ОС беруть на себе функції керування установкою програмних додатків. Дистрибутивний комплект програмного забезпечення, як правило, являє собою напівфабрикат, який при установці на ПК прив'язується до існуючого апаратно-програмного середовища і настроюється на роботу саме в ньому. Процес видалення таких додатків повинен відбуватися під контролем ОС, оскільки не можна допустити, щоб при видаленні одного додатка були вилучені ресурси, на які спираються інші додатки, навіть якщо ці ресурси були колись встановлені разом з пакетом, що видаляється.

Перезавантаження ОС. Якщо з якої-небудь причини в роботі ПК відбувся збій, його потрібно перезапустити. Існує два способи перезавантаження ОС:

• Холодне перезавантаження. Виконується вимиканням/включенням ПК чи натисканням клавіші Reset. При цьому виконується повне перезавантаження всієї необхідної для роботи ПК системної інформації.

- Гаряче перезавантаження. Виконується комбінацією клавіш Ctrl-Alt-Del. У цьому випадку виконується часткове перезавантаження файлів ОС.

1Переповненням розрядної сітки -момент, коли результат не вмістився у розрядну сітку

2Нормалізованим називаетсячисло, мантиса якого задовольняє наступним нерівностям

3Операцією доповнення називають операцію одержання додаткового коду від’ємного числа з його прямого коду

4Резидентною вважається програма, яка після запуску залишається активною до виключення ПК (працює в фоновому режимі).

29