5.1. Назначение и функции операционной системы

Операционные системы (ОС) относятся к одной из основных групп программного обеспечения (ПО) – системному програм-мному обеспечению (СПО) и представляют собой комплекс системных и служебных программных средств. Основное назна-чение ОС − управление ресурсами компьютерной системы (КС), которыми являются любые из компонентов КС и предоставляемые ими возможности. К основным ресурсам относятся процессоры, па-мять, внешние устройства, данные и программы. ОС осуществляет две функции: управление всеми ресурсами КС и предоставление пользователю (прикладным программистам и прикладным программам) абстрактного набора ресурсов взамен неупорядо-ченного набора аппаратного обеспечения. Таким образом, ОС обеспечивает интерфейс пользователя, аппаратно-программный и программный интерфейсы.

5.2. Структуры операционных систем

Большинство современных ОС представляют собой структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переходу на новые платформы. Существуют универсальные подходы к структурированию ОС. Наиболее общим подходом является разделение всех модулей ОС на две группы: ядро, выполняющее основные функции, и модули, выполняющие вспомогательные функции.

Ядро представляет собой специальную программу (или несколько программных модулей), которая постоянно находится в оперативной памяти и работает, пока работает ОС.

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

•утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения КС (например, архиваторы);

•системные обрабатывающие программы (например, текстовые редакторы,

компиляторы, отладчики);

•библиотеки процедур различного назначения.

По структуре современные ОС, как правило, подразделяют на макроядерные и микроядерные. Макроядерная ОС относится к классическому способу построения ОС, состоящему в разделении системы на модули, которые составляют уровни, т.е. организация системы как иерархии уровней, об-

разующихся группами ее функций (файловая система, управление устройствами и т.д.).

Все основные функции ОС, которые составляют многоуровневое ядро, выполняются в привилегированном режиме (режиме ядра), который является одним из определяющих свойств ядра.

Приложения выполняются только в пользовательском режиме: они ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения некоторых команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступа к механизмам распределения и защиты памяти.

К макроядерным ОС (классической структуры) относятся, например, ОС UNIX, ОС LINUX, не-

которые модификации WINDOWS NT (2000/XP).

Микроядерная ОС – это способ построения ОС, при котором небольшая часть системы, называемая микроядром, работает в привилегированном режиме, а остальные функции ядра оформля-ются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. В состав микроядра входят машинно-зависимые модули, модули для выполнения части базовых функций (обработки прерываний, управления виртуальной памятью, пересылки сообщений, управления устройствами ввода/вывода). Однако не существует однозначного решения, какие функции необходимо оставить

впривилегированном режиме.

Кмикроядерным ОС относятся, например, ОС QNX, ОС MINIX 3.2.0.

5.3. Операционная среда Windows

Операционная среда − это набор соответствующих интерфейсов, необходимых программам и пользователям для обращения к операционной системе с целью получения определенных сервисов. Все это есть в системе Windows, которая является графической, 32/64-разрядной, многозадачной, сетевой системой, представляющей собой комплекс программ.

В состав Windows входят операционная система (ОС) с файловой системой для организации работы с файлами и папками, а также некоторые служебные и прикладные программы.

27

Блок начальной загрузки (Boot record)

Чтобы можно было работать с КС, в оперативную память (ОЗУ) компьютера должна быть загружена ОС (по крайней мере, ее ядро), и только после ее загрузки (когда, например, на экране монитора появляется рабочий стол Windows) она готова обеспечить выполнение прикладной программы. В оперативную память загружается очень маленькая программа, ей передается управление, затем эта программа загружает собственно систему.

Загрузка ОС отличается от установки системы тем, что установка является начальным одноразовым действием. К концу установки ОС находится на жестком диске (в ВЗУ), готовая к загрузке в оперативную память компьютера.

Если ОС установлена, то при включении компьютера BIOS, хранящийся в ПЗУ, т.е. уже загруженный, автоматически делает самопроверку по включению питания (power-on self test – POST), чтобы удостовериться, что все компоненты компьютера работо-способны. Затем программа начальной загрузки BIOS определяет, где размещен файл начальной загрузки; BIOS считывает его первый сектор (512-байтовая область), называемый блоком начальной загрузки (boot record), копирует информацию из него в опреде-ленное место оперативной памяти и передает управление программе, содержащейся в нем. Эта программа, в свою очередь, загружает файл инициализации системы (NTLDR) из корневого каталога загрузочного диска. В файле NTLDR хранятся две части: модуль StartUp, после которого следует загрузчик ОС (osloader.exe); при загрузке NTLDR в оперативную память управление передается модулю StartUp, затем он загружает и запускает загрузчик ОС, который содержит основные функции для доступа к дискам, отформатированным в файловых системах FAT, NTFS, CDFS, ETFS или UDFS (в новейших версиях ОС).

Файл как объект файловой системы

В качестве единицы хранения данных на внешнем физическом носителе (ВЗУ) принят объект переменной длины, называемый файлом, который является поименованной областью памяти на этом носителе и представляет собой последовательность произвольного числа байтов, обладающую уникальным собственным именем. В отдельном файле хранятся данные, относящиеся к одному типу, который определяет тип файла.

Работа с файлами на компьютере производится с помощью файловой системы, которая, как правило, является функциональной частью ОС и определяет способ организации, хранения, именования данных, размещенных на внешних носителях, а также способ управления этими данными. Чтобы найти необходимый файл, пользователю должно быть известно имя файла и место его хранения на внешнем носителе.

В ОС, как правило, имя файла составляется из двух частей, разделенных точкой: слева от точки – само имя файла, после точки – часть имени, называемая расширением файла. Например, tp.exe.

Обычно в именах файлов употребляются латинские буквы и цифры. В большинстве ОС максимальная длина расширения – три символа. Кроме того, имя файла может и не иметь расширения. В ОС WINDOWS в именах файлов допускается использование русских букв; максимальная длина имени – 255 символов.

Расширение файла указывает, какого рода информация хранится в файле, и, как правило, определяет программу обработки этого файла. Например, расширение txt обычно обозначает текстовый файл (содержит текст); расширение zip – архивный файл (содержит сжатую информацию), pas

– текст программы на языке Паскаль. Исполняемые файлы, содержащие компьютерные программы, имеют расширения ехе или com. Инициализация программы происходит путем записи ее в оперативную память и перехода работы процессора к ее исполнению.

Логический диск

Логический диск – искусственно созданный программными средствами раздел жесткого диска, которому присваивается собственное имя (D, E и т.д.) и обращение к которому производится как к реально существующему отдельному накопителю.

Каталоги

Каталог – это объект файловой системы, который пред-ставляет собой поименованную совокупность байтов на внешнем физическом носителе, содержащую информацию о каталогах и файлах, привязанных к данному каталогу.

28

Корневой каталог (Root-Directory) – каталог, прямо или кос-венно включающий в себя все прочие каталоги и файлы файловой системы (как правило, в Windows обозначается символом

«обратный слеш» «\»).

Родительским каталогом называется каталог, в котором находится текущий каталог, являющийся для родительского под-каталогом; обозначается двумя точками «..». Подкаталог − это каталог, который входит в другой каталог.

Различают два состояния каталога – текущее (активное) и пас-сивное. ОС помнит текущий каталог на каждом логическом диске. Текущий (активный) каталог – каталог, с которым работает ОС, если ей не указать другого каталога; обозначается точкой «.». Пассивный каталог – каталог, с которым в данный момент времени нет связи.

Таким образом, любой каталог, содержащий каталоги нижнего уровня, может быть, с одной стороны, по отношению к ним родительским, а с другой стороны, подчиненным по отношению к каталогу верхнего уровня. Файл всегда привязан к какому-либо каталогу (в том числе и к корневому).

Файловая система не допускает одинаковых названий (идентификаторов) логических дисков, каталогов и файлов внутри одного каталога. Каталог расширения не имеет.

Свободное дисковое пространство, где хранятся каталоги, называется областью данных. Доступ к файлу. Доступ к файлу − это процедура уста-новления связи с памятью и

размещенным в ней файлом для записи и чтения данных. Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов, через которые проходит; это цепочка соподчиненных каталогов, которую необхо-димо пройти по иерархической структуре к каталогу, где нахо-дится искомый файл. Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается имя файла вместе с путем доступа к нему.

Группы файлов:

•исполняемые файлы. Являются программами, могут иметь расширения: .exe, .com (выполняемые программы); .bat (командные файлы); .sys (системные файлы); .drv (драйверы);

•файлы данных. Содержат пользовательскую информацию, могут иметь расширения: .dat (данные); .txt (текстовые файлы); .dbf (файлы баз данных); .pas, .c, .asm (тексты программ на языках PASCAL, С, ASSEMBLER соответственно); .bak (копия файла данных);

•каталоги (директории или папки) – специальные файлы. Содержат в себе списки других каталогов и файлов, расширения не имеют.

Организация файловой структуры ОС

Одним из элементов файловой системы, наряду с комплексом программных средств, реализующих управление файлами, является файловая структура, которая представляет собой совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними. Различные ОС могут поддерживать разные организации файловых структур, например, одноуровневую или многоуровневую.

Одноуровневая файловая структура – простая последовательность файлов: для поиска файла на диске достаточно указать лишь полное имя файла. Например, А:\tetris.exe.

Многоуровневая файловая структура – это древовидный (иерархический) способ организации файлов на диске. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы; файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги.

Файловые системы Windows

Файловая система FAT (File Allocation Table). Принцип организации FAT табличный: данные о том, в каком месте диска записан файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT). Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор, размер которого составляет 512 байт. Так как размер FAT ограничен, то обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору невозможно, поэтому группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным, его размер не фиксирован и зависит от емкости диска.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров. Таким образом, FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска; каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT; элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных. На диске хранятся две копии FAT.

29

Например, операционные системы MS-DOS, Windows 95, Windows 98 реализуют 16разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такие файловые системы называются FAT 16. В ОС Windows 98 было представлено расширение FAT 16, которое привело к FAT 32. ОС Windows 2000, Windows XP, Windows Vista поддерживают обе FAT, которые к настоящему времени уже устарели. Последнее время файловая система FAT 32 чаще применяется на съемных носителях небольшого объема.

Файловая система NTFS (New Technology File System). ОС Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7 созданные на базе NT, имеют собственную файловую систему NTFS, которая использует 64-битные дисковые адреса. NTFS применяется на системных дисках и для хранения файлов большого размера.

NTFS – это иерархическая файловая система (похожая на файловую систему ОС UNIX). Каждый том (дисковый раздел) NTFS содержит файлы, каталоги, битовые массивы и другие структуры данных. Основная структура данных каждого тома – это главная таблица файлов (Master File Table – MFT), которая является линейной последовательностью записей фиксированного размера (1 Кб). Файл в NTFS – это не просто линейная после-довательность байтов, как файлы в FAT 32, он состоит из мно-жества атрибутов, каждый из которых представлен потоком байтов. Большинство файлов имеет несколько коротких потоков (название файла и его 64битный идентификатор объекта) и один длинный (не именованный) поток данных. Каждый поток имеет имя, состоящее из имени файла, двоеточие и имени потока. Каждый поток имеет свой размер и может блокироваться независимо от всех остальных потоков.

Сравнительная характеристика NTFS и FAT 32:

1. Таблицы в NTFS устроены существенно лучше, чем в FAT 32.

2.Таблицы в NTFS устойчивей к сбоям, так как могут кор-ректно восстанавливаться, благодаря дублированию информации; уровень надежности и возможности сохранения файловой струк-туры при сбое работы NTFS обеспечивает высокую надежность работы системы.

3.В NTFS нет ограничения на размер файла. Теоретически она поддерживает работу с файлами размером около 16 Тб, а в FAT 32 максимальный размер файла – 4 Гб.

4.В NTFS имеются встроенные средства для разграничения прав доступа и предоставления

квот.

5.NTFS эффективнее при обращении к файлам больших размеров; в отличие от FAT 32, в которой производительность снижается из-за фрагментации, на NTFS фрагментация не влияет.

6.NTFS рационально использует дисковое пространство, а в FAT 32 из-за большого размера кластеров дисковое пространство при хранении большого числа маленьких файлов используется нерационально.

7.NTFS обеспечивает быстрый доступ к небольшому файлу или части файла, хотя FAT работает быстрее.

8.FAT 32 обеспечивает щадящий режим для жесткого диска, так как при считывании головка совершает меньше движений, соответ-ственно, степень механического износа будет меньше, но актуаль-ность этого свойства теряется из-за того, что FAT 32 практически не используется на жестких дисках, а конструкция флеш-накопителей и карт памяти механического износа не предполагает.

9.Для работы с файловой системой NTFS требуется значи-тельный объем оперативной памяти, поэтому ОЗУ должно быть не менее 64 Мб, а FAT 32 не предъявляет требований к объему ОЗУ.

10.Теоретический максимальный размер диска для NTFS – около 16 эксабайт, А для FAT 32 –

8 Тб.

11.В NTFS выше возможность сжатия файла на уровне файловой системы.

Объекты Windows для пользователя

В системе Windows существует большое количество объектов, каждый из которых имеет имя, графическое обозначение (пиктограмма, иконка, значок) и свойства. Имя и графическое обозначение позволяют отличать данный объект от других. Свойства определяют характеристики объекта, его возможности и поведение. Пользователь может влиять на состояние объекта, изменяя его свойства.

Существуют логические и физические объекты Windows.

Логические объекты Windows – это объекты, которые не соответствуют ни одной из аппаратных частей КС. К основным логическим объектам относятся:

•документ (объект, содержащий любую информацию: текст, рисунок, звуки и т.д.);

•программа или приложение (объект, который служит для обработки документов);

•папка (объект, содержащий группы документов или приложений, может содержать другие папки или быть пустой);

•ярлык (объект, связанный с выполняемым приложением).

30