Теория возникновения операционных систем

Многослойный подход является универсальным и эффективным  способом декомпозиции сложных систем любого типа, в том числе и программных. В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс (рис.3). На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции -- более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя. Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.

2.4 Микроядерная архитектура

Микроядерная архитектура  является альтернативой классическому  способу построения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная организация ОС, в соответствии с которой все основные функции операционной системы, составляющие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользовательскими программами (становясь системными утилитами или обрабатывающими программами).

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Все остальные более  высокоуровневые функции ядра оформляются  в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра -- файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т.п., -- становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.

Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют  большинству требований, предъявляемых  к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства приходится платить снижением производительности, и это является основным недостатком микроядерной архитектуры.

2.5 Файловые системы

Система управления файлами  является основной в абсолютном большинстве современных операционных систем. Например, операционные системы Unix никак не могут функционировать без файловой системы, ибо понятие файла для них является одним из самых фундаментальных. Все современные операционные системы используют файлы и соответствующее программное обеспечение для работы с ними. Дело в том что, во-первых, через файловую систему связываются по данным многие системные обрабатывающие программы. Во-вторых, с помощью этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными. Наконец, пользователи получают более простые способы доступа к своим данным, которые они размещают на устройствах внешней памяти.

Файловая система (ФС) является важной частью любой операционной системы, которая отвечает за организацию хранения и доступа к информации на каких-либо носителях. Рассмотрим в качестве примера файловые системы для наиболее распространенных в наше время носителей информации - магнитных дисков. Как известно, информация на жестком диске хранится в секторах (обычно 512 байт) и само устройство может выполнять лишь команды считать/записать информацию в определенный сектор на диске. В отличие от этого файловая система позволяет пользователю оперировать с более удобным для него понятием - файл. Файловая система берет на себя организацию взаимодействия программ с файлами, расположенными на дисках. Для идентификации файлов используются имена. Современные файловые системы предоставляют пользователям возможность давать файлам достаточно длинные мнемонические названия.

Рассмотрим более подробно структуру жесткого диска. Базовой  единицей жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска. Каждый раздел содержит один том, обслуживаемый какой-либо файловой системой и имеющий таблицу оглавления файлов - корневой каталог. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов. Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать, так называемый, расширенный (extended) раздел, который по аналогии с разделами может разбиваться на несколько логических дисков.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается головная запись загрузки и таблица разделов (табл. 1). Головная запись загрузки (master boot record, MBR) - первая часть данных на жестком диске. Она зарезервирована для программы начальной загрузки BIOS (ROM Bootstrap routine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (Boot Sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочный сектор.

1) Файловая система  FAT (File Allocation Table) была разработана  Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом  в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. Чтобы добиться переносимости программ из операционной системы CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мбайта, и вначале не предусматривала поддержки жестких дисков. В настоящее время FAT поддерживает файлы и разделы размеров до 2 Гбайт.

В FAT применяются следующие соглашения по именам файлов:

имя должно начинаться с  буквы или цифры и может  содержать любой символ ASCII, за исключением  пробела и символов "/\[]:;|=,^*?.

длина имени не превышает 8 символов, за ним следует точка  и необязательное расширение длиной до 3 символов.

регистр символов в именах файлов не различается и не сохраняется.

2) Высокопроизводительная  файловая система HPFS (High Performance File System) была представлена фирмой IBM в 1989 году вместе с операционной системой OS/2 1.20. Файловая система HPFS также поддерживалась ОС Windows NT до версии 3.51 включительно. По производительности эта ФС существенно опережает FAT. HPFS позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт (первоначально до 4 Гбайт). Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

HPFS распределяет пространство на диске не кластерами как в FAT, а физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файл HPFS стремится, по возможности, размещать файлы в последовательных смежных секторах. Фрагмент файла, располагающийся в смежных секторах, называется экстентом.

3) В настоящее время  появляются новые поколения жестких  дисков, имеющие все большие объемы дискового пространства, в то время как возможности FAT уже достигли своего предела (FAT может поддерживать разделы размером до 2 Гб).

FAT32 - усовершенствованная  версия файловой системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом до 2 терабайт. Впервые файловая система FAT32 была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу.

В данный момент FAT32 поддерживается в следующих ОС: Windows 95 OSR2, Windows 98, Windows ME, Windows 2000 и Windows XP.

4) NTFS (New Technology File System) - наиболее  предпочтительная файловая система при работе с ОС Windows NT (Windows 2000 и XP также являются NT системами), поскольку она была специально разработана для данной системы. В состав Windows NT входит утилита convert, осуществляющая конвертирование томов с FAT и HPFS в тома NTFS. В NTFS значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов, поддержка требований стандарта POSIX. NTFS позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

3 МНОГООБРАЗИЕ СОВРЕМЕННЫХ  ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

3.1 Windows 95

Windows 95 — результат  объединения продуктов MS-DOS и Windows, которые ранее распространялись  отдельно. Windows 95 является третьей  (после Windows for Workgroups 3.11 и Windows NT) системой Windows, лишённой поддержки стандартного  и реального режимов работы x86-процессоров и требующей процессор уровня Intel 80386 и выше в защищённом режиме. Windows 95 содержит значительные улучшения графического интерфейса и внутреннего устройства системы, включая рабочий стол и меню «Пуск», поддержку длинных (до 256 знаков) имён файлов и систему «plug and play».

Основным нововведением  в Windows 95 стала возможность выполнять 32-разрядные приложения на основе API Win32. Впервые эта возможность появилась в Windows NT, однако системы этого семейства имели более высокие требования к аппаратному обеспечению и потому не могли сравниться по популярности с «обычной» серией Windows (которая до выхода Windows 95 была представлена семейством Windows 3.x).

В Windows 95 была реализована  лишь часть возможностей Win32, доступных в Windows NT. Однако этого было достаточно для того, чтобы многие приложения, разработанные на основе API Win32, смогли работать как в среде Windows NT (которая позиционировалась как система для деловых применений), так и в среде Windows 95 (ориентированной на потребительский рынок). Это способствовало популярности Windows 95.

Появление 32-разрядного доступа к файлам в Windows for Workgroups 3.11 означало, что 16-разрядный реальный режим MS-DOS более не использовался для работы с файлами во время выполнения Windows, а внедрение 32-разрядного доступа к диску в Windows 3.1 позволяло избежать использования BIOS для управления жёсткими дисками. В результате, роль MS-DOS фактически свелась к тому, чтобы загружать ядро Windows, работающее в защищённом режиме. MS-DOS могла по-прежнему использоваться для работы старых драйверов устройств в целях совместимости, но Microsoft рекомендовала не использовать их, поскольку это мешало правильной многозадачности и уменьшало стабильность системы. С помощью Панели управления пользователь мог определить, какие компоненты MS-DOS всё ещё использовались в его системе; оптимальная производительность достигалась в том случае, если таковых не было. Ядро Windows по-прежнему использовало старые вызовы «в стиле MS-DOS» в так называемом режиме защиты от сбоев, но этот режим использовался лишь для исправления неполадок при загрузке «родных» драйверов защищённого режима.

3.2 Windows 98/98 SE (Second Edition)

Операционная система Windows 98 Second Edition (Windows 98 SE) была выпущена 5 мая 1999 года.

Это обновлённая версия Windows 95, по-прежнему являющаяся гибридным 16/32-разрядным продуктом, основанном на MS-DOS 7.1 .

Улучшениям подверглась  поддержка AGP, доработаны драйверы USB, добавлена  поддержка работы с несколькими  мониторами и поддержка WebTV. Как и в Windows 95 OSR 2.5, в интерфейс системы (Explorer.exe) интегрирован Internet Explorer 5 (функция Active Desktop), присутствует функция Internet Connection Sharing (Общий доступ подключения к интернету). Также добавлен MS NetMeeting 3 и поддержка проигрывания DVD.

В Windows 98 Second Edition устранены  существовавшие в Windows 98 ошибки, а также  добавлены новые средства и возможности, отсутствующие в исходной версии Windows 98 и позволяющие более продуктивно  использовать Windows. Установка Windows 98 Second Edition позволяет обновить системные файлы, получить доступ к средствам Windows 98 Second Edition, устранить ошибки, существовавшие в исходной версии Windows 98, а также решить другие задачи.

Системные требования: для Windows 98 потребуется как минимум компьютер с процессором 486DX на 66 мегагерц (МГц) и 24 мегабайтами (Мбайт) ОЗУ.

Для обычной установки  требуется от 205 до 260 Мбайт свободного места на диске; в зависимости  от конфигурации системы, устанавливаемых  компонентов и типа устанавливаемой версии Windows 98 (полная или для обновления) необходимый объем может колебаться от 190 до 400 Мбайт