Лекции по "Программному обеспечению"

Лекция  № 7 Виды операционных и файловых систем

1. Функции операционной системы

      Операционная  система является связующим звеном, с одной стороны, между аппаратурой  компьютера и выполняемыми программами, с другой стороны, между аппаратурой  компьютера и пользователем.

      Операционную  систему можно назвать программным  продолжением устройства управления компьютера. Образуя прослойку между пользователем  и аппаратурой, она скрывает от него сложные и ненужные подробности  функционирования компьютера и освобождает от трудоемкой работы по организации вычислительного процесса.

      В функции операционной системы входят:

      • поддержка диалога с пользователем;

      • ввод/вывод и управление данными;

      • планирование и организация процесса обработки программ;

      • распределение ресурсов (оперативной и кэш-памяти, процессора, внешних устройств);

      • запуск программ на выполнение;

      • выполнение вспомогательных операций обслуживания;

      • передача информации между различными внутренними устройствами;

      • поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, накопителей на гибких и жестких дисках, принтера и др.).

      В соответствии с выполняемыми функциями  в структуре ОС можно выделить следующие основные компоненты:

      • модули, обеспечивающие пользовательский интерфейс;

      • модуль, управляющий файловой системой;

      • модуль, расшифровывающий и выполняющий  команды (командный процессор);

      • драйверы периферийных устройств.

      Операционная  система хранится во внешней памяти компьютера. При включении компьютера часть ее (ядро – резидентная часть ОС) считывается с винчестера и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы. При работе ядро постоянно находится в ОЗУ, остальные модули операционной системы для выполнения своих функций подзагружаются по мере необходимости, а затем на их место загружаются следующие модули (транзитная часть ОС).

2. Виды операционных систем

     Операционные  системы можно классифицировать по различным признакам: числу решаемых задач, одновременно работающих пользователей, количеству поддерживаемых процессоров, поддержке сетевой работы, базовому общению пользователя с системой, типу аппаратной платформы, числу разрядов адресной шины и др.

     По  числу параллельно решаемых на компьютере задач ОС разделяют:

     • на однозадачные (например, MS DOS);

     • многозадачные (например, OS/2, UNIX, Windows 95 и выше).

     В настоящее время на смену однозадачным ОС пришли многозадачные, которые обеспечивают одновременное решение нескольких задач и управляют распределением совместно используемых ими ресурсов (процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства).

     По  числу одновременно работающих пользователей  ОС разделяют:

     • на однопользовательские (например, MS DOS, Windows 3.x);

     • многопользовательские (например, Unix, Linux, Windows 2000).

     Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других.

     Каждая  операционная система имеет свои средства для выполнения пользователем  тех или иных действий (запуск прикладной программы, копирование файла, форматирование диска и т.д.). Поэтому в качестве признака классификации можно назвать пользовательский интерфейс ОС. Различают ОС, обеспечивающие взаимодействие с пользователем посредством:

     • командного интерфейса (например MS DOS);

     • графического интерфейса (например Windows).

     На  характеристики операционных систем, как правило, влияет специфика аппаратных средств, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы для персональных компьютеров различных платформ (IBM-совместимых, Apple, Macintosh), миникомпьютеров, мэйнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди этих типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные.

     По  числу разрядов адресной шины компьютеров, на которые ориентирована ОС, операционные системы разделяют на 16 (MS DOS), 32 (Windows 2000) и 64-разрядные (Windows 2003).

     На  рынке операционных систем представлены разработки различных фирм, которые отличаются ориентацией на аппаратные средства, решение определенного круга задач, запросы потребителя и др. Можно выделить операционные системы, обладающие определенными общими чертами: один производитель, единый подход к организации и функционированию, что позволяет классифицировать их по семействам и линейкам. Например, можно выделить такие семейства, как Windows (Microsoft), Unix (различные разработчики), Solaris (Sun Microsystems) и др. В семействе Windows принято различать линейку Windows 9.x (Millenium) и Windows NT (XP).

3. Файловая  система.

     Совокупность  средств операционной системы, обеспечивающих доступ к информации на внешних носителях, называется системой управления файлами, или файловой системой.

     Основная  задача файловой системы – обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода (накопителей на жестких дисках, магнитных лентах и т.д.). Она также определяет структуру хранения файлов и каталогов на диске, правила задания имен файлов, допустимые атрибуты файлов, права доступа и др. Обычно файловую систему воспринимают и как средство управления файлами, и как общее хранилище файлов.

     Функциональные  возможности файловой системы можно  условно разделить на группы:

     1) функции для работы с файлами:  создание, удаление, переименование, изменение  атрибутов (свойств файлов), определение структуры файлов;

     2) функции для работы с данными:  чтение, запись, поиск данных, хранящихся  в файлах, и т.д.;

     3) оптимизация операций ввода/вывода.

4. Логические  диски.

     Одно  из понятий файловой системы –  логический диск. Каждый логический диск имеет свое уникальное имя.

     В качестве имени логического диска  используются буквы английского  алфавита от A до Z (включительно).

     Таким образом, количество логических дисков, может быть не более 26.

     Буквы A и B – отведены строго под имеющиеся в IBM PC дисководы FDD.

     Начиная с буквы C именуются логические диски (разделы) жесткого диска (рис. 3).

     В случае, если данный IBM PC имеет только один FDD, буква B пропускается (см. рис. 4).

     Как правило, только логические диски  A и C могут быть системными.

     

5. Файловая структура

     Для обеспечения доступа к файлам файловая система OC организует и поддерживает на логическом диске определенную файловую структуру (рис. 1).

     Рис. 1. Файловая структура на дискете емкостью 360 кбайт 

     Элементы  файловой структуры:

• стартовый сектор (сектор начальной загрузки, Boot-сектор);
• таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);
• корневой каталог(Root Directory);
• область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).

     Эти элементы создаются специальными программами  в среде OC в процессе инициализации диска.

6. Стартовый сектор (сектор начальной  загрузки, Boot-сектор)

     Здесь записана информация, необходимая OC для работы с диском:

• идентификатор ОС (если диск системный);
• размер сектора диска;
• количество секторов в кластере;
• количество резервных секторов в начале диска;
• количество копий FAT на диске (стандарт – две);
• количество элементов в каталоге;
• количество секторов на диске;
• тип формата диска;
• количество секторов в FAT;
• количество секторов на дорожку;
• количество поверхностей;
• блок начальной загрузки ОС.

7. Корневой  каталог.

     Корневой  Каталог. Это определенная область диска, создаваемая в процессе инициализации (форматировании) диска, где содержится информация о файлах и каталогах, хранящихся на диске. Корневой каталог всегда существует на отформатированном диске. На одном диске бывает только один корневой каталог. Размер корневого каталога для данного диска – величина фиксированная (только для FAT-16), поэтому максимальное количество "привязанных" к нему файлов и других (дочерних) каталогов (подкаталогов) – строго определенное.

     Каталоги (подкаталоги). Каталог – это определенное место на диске (в области данных диска), где содержится информация о файлах и подкаталогах, привязанных к данному каталогу.

     В отличие от корневого каталога, остальные  каталоги (подкаталоги) создаются с  помощью команд ОС. Основная цель такой  структуры каталогов – организация  эффективного хранения большого количества файлов на диске.

Каждый  каталог, кроме корневого, имеет "родителя", т.е. другой каталог, в котором зарегистрирован данный каталог. ОС рассматривает каждый каталог, кроме корневого, как файл.

     В Windows каталог называется папкой. С папками (каталогами) и файлами могут выполняться операции создания, удаления, копирования и перемещения, а также изменение их свойств и управление доступом.

8. Область данных

     Вся область данных диска делится  на кластеры (cluster, скопление), которые представляют собой пронумерованные неделимые блоки данных одного размера на диске. В самом начале диска размещается таблица FAT, содержащая столько записей, сколько кластеров доступно на диске. В ней отмечены используемые, неиспользуемые, содержащие нулевую информацию, а также поврежденные кластеры, которые помечаются определенным значением, после чего они уже никогда не употребляются.

     Таблица FAT содержит сведения о номерах кластеров, в которых размещается файл. Наличие у каждого кластера индивидуального номера позволяет найти область расположения файла, причем необязательно, чтобы его кластеры располагались рядом. Если разные фрагменты файла располагаются в несмежных кластерах, то говорят о фрагментации файла. Каждый кластер файла содержит номер следующего в цепочке его кластеров. Таким образом, достаточно знать номер первого кластера в цепочке, который хранится в оглавлении диска, чтобы по таблице FAT определить номера всех кластеров, содержащих данный файл. Занимаемый файлом объем (<количество кластеров файла> * <размер кластера>) кратен количеству кластеров.

     На  диске может храниться огромное количество разнообразных файлов. Для удобства работы с файлами, их систематизации по назначению, содержанию, авторству или другим признакам на диске создаются каталоги, структура которых определяет логическую организацию данных.

9. Принципы  хранения информации в компьютерных системах