Операционные системы и программы-оболочки

Системные программы

Файлы и файловая структура.

Среди программ, относящихся к системному программному обеспечению, главное место занимает операционная система. В основе любой операционной системы (ОС) лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в операционной системе принцип организации хранения логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов, объединённых в файловую структуру.

Файл – логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл служит учетной единицей информации в операционной системе. Любые действия с ней в ОС осуществляются над файлами: запись на диск, вывод на экран, ввод с клавиатуры, печать, считывание информации CD-ROM и пр.

Проще всего представить себе файл в виде безразмерного досье, в которое можно по желанию добавлять сведения или извлекать их оттуда. В определении файла нет ограничения на размер, поэтому можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

На диске файл не требует для своего размещения непрерывного пространства, обычно он занимает свободные кластерыв разных частях диска. Кластер – группа смежных секторовна физическом носителе, являющаяся минимальной единицей пространства диска, которое может быть отведено файлу. Самый маленький файл занимает один кластер, большие файлы – десятки и сотни кластеров. Сектор – 512 байт. На гибком диске обычно 80 дорожек. На каждой дорожке: для 5" диска – 9 секторов; для 3,5" – 18 секторов. Кластер для гибкого диска – 1 или 2 сектора (0,512, 1 Кбайт). Кластер для жесткого диска – 4, 8, 16 секторов (2 – 8 Кбайт).

Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. Кластеры, предоставляемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными. Сведения о номерах этих кластеров хранятся в специальной FAT (File Allocation Table) – таблице, которая предназначена для размещения и поиска файлов на диске. Она хранится на диске в определенном месте на начальных дорожках диска. FAT является наиболее критической частью диска и требует максимальной защиты, поэтому предусмотрено хранение на каждом диске двух отдельных копий – основной и дублирующей. При повреждении основной таблицы можно восстановить информацию о размещении файлов с помощью дублирующей. Для ускорения доступа к FAT производится ее предварительная загрузка в оперативную память. Количество ячеек FAT определяется количеством кластеров на диске. Каждая ячейка содержит номер кластера.

В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи, числа, программы, таблицы и т.п. Особенности конкретных файлов определяются их форматом. Под форматом понимается элемент языка, в символическом виде описывающий представление информации в файле.

К файлу можно обращаться с помощью имени. Причём имени уделяется особое внимание в определении файла. Оно фактически несет в себе адрес, без которого данные, хранящиеся в файле, окажутся недоступными для пользователя. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем. Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени файла они могут автоматически определить адекватный метод извлечения информации из файла.

Имя файла образуется не более чем из восьми символов, причём используются только буквы латинского алфавита и символы кроме * ? : ; , <> =пробела. По имени к файлу обращаются редко, обычно только в техприкладных программах, когда это специально предусмотрено, а также при вводе имени файла, где хранится команда операционной системы. В качестве имени файла можно использовать символьное имя устройства: PRN, LPT1 – принтер или любое устройство, подключённое к параллельному порту; CON – консоль (клавиатура при вводе и дисплей при выводе); СОМ1 – внешнее устройство, подключенное к последовательному порту; NUL – фиктивное устройство, вывод в файл NUL никуда не направляется, а просто уничтожается.

Обычно к файлу обращаются с помощью полного имени, за исключением оговорённых выше случаев.Полное имя файла более подробно характеризует файл и образуется из имени файла и типа (расширения), разделённых точкой.

Тип файла служит для характеристики хранящейся в файле информации и образуется не более чем из трёх символов, причём используются только буквы латинского алфавита. В полном имени недопустимы пробелы между именем и типом. При работе на персональном компьютере установлен ряд соглашений по заданию типа файла (табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Типы файлов

Операционная система позволяет использовать в имени и типе файла написание в любой последовательности разрешенные ею символы. При назначении имен файлов рекомендуется образовывать их так, чтобы они отражали смысловое содержание.

Требование уникальности имени файла очевидно – без этого невозможно гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники оно обеспечивается автоматически – создать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, не может ни пользователь, ни автоматика.

Работа с большими наборами данных, в том числе и с файлами, автоматизируется проще, когда данные упорядочены, т. е. есть образуют заданную структуру. Существует три основных типа структур данных: линейная, табличная и иерархическая.

Если все данные записаны последовательно, то они образуют простейшую структуру – линейную(списки). Для поиска нужных данных ее придется рассматривать подряд, начиная с самого начала, что не всегда удобно. Списки – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется его номером.

Табличные структуры данных (матрицы)– это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка, содержащая искомый элемент.

Нерегулярные данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы, часто дают в виде иерархическойструктуры. Её элементы располагаются на различных уровнях в иерархии данных, т. е. структуры низкого уровня входят в элементы структуры более высокого уровня.

Для больших массивов данных поиск в иерархической структуре намного проще, чем в линейной, однако и здесь необходимо использовать какой-либо метод навигации, связанный с необходимостью просмотра. На практике задача упрощается тем, что существует вспомогательная перекрестная таблица,связывающая элементы иерархической структуры с элементами линейной структуры. Подобные структуры также широко применяют в научных систематизациях и всевозможных классификациях.

В иерархической структуре адрес каждого элемента определяется путем доступа (маршрутом), ведущим от вершины структуры к данному элементу. Вот, например, как выглядит путь доступа к команде, запускающей Калькулятор (стандартная программа компьютеров, работающих в ОС Windows 98):

Пуск4Программы4Стандартные4Калькулятор.

С понятием файла в MS DOS тесно связано понятие логического диска. Логический дисксоздается и управляется специальной программой (драйвером), имеет уникальное имя в виде одной латинской буквы, например, С, D, E, F и т. д. Он может реализовываться на жестком диске, на гибком диске, на CD-ROM, в оперативной памяти (электронный диск) и т.п. На одном физическом диске может быть создано несколько логических дисков. В дальнейшем под дискомбудем понимать логический диск.

На таких дисках организованы каталоги (папки) – группы файлов, объединенных по какому-либо логическому признаку. В ОС принята иерархическая структура организации каталогов. На каждом диске всегда имеется единственный главный (корневой) каталог. Он находится на нулевом уровне иерархической структуры и обозначается символом "\". Корневой каталог создается при форматировании (инициализации, разметке) диска, имеет ограниченный размер и не может быть удален средствами ОС. В главный каталог могут входить другие каталоги и файлы, которые создаются и могут быть удалены средствами ОС.

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 (подкаталогом).

Родительский каталог – каталог, имеющий подкаталоги.

Подкаталог – каталог, который входит в другой каталог. Если это не вызывает путаницы, употребляют термин каталог,подразумевая или подкаталог, или родительский каталог в зависимости от контекста.

Каталоги (папки) на дисках организованы как системные файлы. Единственное исключение ¾ корневой каталог, для которого отведено фиксированное место на диске. Доступ к ним можно получить как к обыкновенному файлу. В структуре каталогов могут находиться каталоги, не содержащие ни одного файла или подкаталога. Их называют пустыми. Для формального отличия от файлов обычно подкаталогам присваивают только имена, хотя можно добавить и тип по тем же правилам, что и для файлов.

Доступ к содержимому файла организован из главного каталога, через цепочку соподчиненных каталогов (подкаталогов) n-го уровня. В каталоге любого уровня могут храниться записи как о файлах, так и о каталогах нижнего уровня. Данный принцип является основой файловой системы.

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождественными полными именами.

Файловая система – часть операционной системы‚ управляющая размещением и доступом к файлам и каталогам на диске.

С понятием файловой системы тесно связано понятие файловой структурыдиска, под которой понимают, как размещаются на диске главный каталог, подкаталоги, файлы, операционная система, а также какие для них выделены объемы секторов, кластеров, дорожек.

При формировании файловой структуры диска ОС соблюдает ряд правил:

· файл или каталог могут быть зарегистрированы с одним и тем же именем в разных каталогах, но в одном и том же каталоге – только один раз;

· порядок следования имен файлов и подкаталогов в родительском каталоге произвольный;

· файл может быть разбит на несколько частей, для которых выделяются участки дискового пространства одинакового объема на разных дорожках и секторах.

Доступ к файлу осуществляется через каталог благодаря зарегистрированному в нем имени данного файла. В силу того, что каталог имеет иерархическую структуру, доступ к файлу операционная система организует в зависимости от положения подкаталога, в котором зарегистрировано имя искомого файла:

· если имя файла зарегистрировано в текущем активном (рабочем) каталоге, то достаточно для доступа к файлу указать только его имя;

· если имя файла зарегистрировано в пассивном (нерабочем) каталоге то, находясь в текущем каталоге, вы должны указать путь.

Путь – цепочка соподчиненных каталогов, которую необходимо пройти по иерархической структуре к каталогу, где зарегистрирован искомый файл. При задании пути начинают с имени устройства, а затем все имена каталогов записываются в порядке следования и отделяются друг от друга символом \ (обратная косая черта).

Пример записи полного имени файла:

<имя носителя>\<имя каталога-1>\…\<имя каталога-N>\< собственное имя файла>.

В каталогах хранятся записи о файлах, содержащие полные имена файлов, а также их характеристики: дату и время создания; объем (в байтах); специальные атрибутыфайла: R (Read only) – только для чтения, Н (Hidden) ¾ скрытый файл, S (System) ¾ системный файл, A (Archive) ¾ архивный файл; а также номер начального кластера файла. Атрибут А присваивается файлу из того, чтобы его можно было проще разыскать в подкаталогах при создании копий, обновлении старых. Их не следует путать с архивированными файлами, получаемыми с помощью специальных программ – архиваторов.

При реализации доступа к файлу сначала производится обращение к ячейке FAT, адрес которой определяется номером начального кластера, хранящимся в записи о файле. В этой ячейке хранится номер второго кластера этого файла. Обратившись к ячейке таблицы, соответствующей номеру второго кластера, операционная система найдет там номер третьего кластера и т. д. Так будет создана цепочка кластеров, где расположен файл. В последней клетке таблицы, завершающей данную цепочку, должен находиться код FFF или FFFF для указания ее конца.

Операционные системы и программы-оболочки

Операционная система (ОС) представляет собой комплекс программ, который автоматически загружается при включении компьютера и предназначен для обеспечения определенного уровня эффективности вычислительной системы за счет автоматизированного управления её работой и предоставляемых пользователю команд, с помощью которых можно выполнить общение с компьютером и различные действия.

Ее можно рассматривать как программное продолжение и расширение аппаратуры компьютера. Она обеспечивает:

· диалог с пользователем;

· управление компьютером, его ресурсами, т. е. оперативной памятью, местом на дисках и т. д.;

· запуск программы на выполнение.

ОС должна содержать файловую систему, драйверы внешних устройств, процессор командного языка.

Командный процессор позволяет выполнять те или иные действия (обращение к каталогу, разметку внешних носителей и др.), осуществляет анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов, их запуск.

Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализуют такие функции, как планирование и распределение ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными. Объем ОС и число составляющих ее программ в значительной степени определяются типом используемых ЭВМ, сложностью режимов их работы, составом технических средств и т. д.,

Применение ОС имеет следующие цели:

· увеличение пропускной способности ЭВМ, т. е. увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;

· уменьшение времени реакции системы, т. е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами, получения результатов;

· контроль работоспособности технических и программных средств;

· помощь абонентам и операторам при использовании ими технических и программных средств, облегчение их работы;

· управление программами и данными в ходе вычислений;

· обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и программными средствами.

Любая операционная система имеет средства приспособления к классам решаемых пользователями задач и к конфигурации средств, включаемых в вычислительную систему.

Основу любой ОС составляет управляющая программа, главными функциями которой являются: управление задачами, заданиями, т. е. управление ходом выполнения отдельных программ, и данными. Операционная система осуществляет это путем построения специальных управляющих таблиц, отражающих наличие и состояние ресурсов. Связь процессов в цепочки осуществляется по событиям, где событие – это изменение состояния ресурса, его характеристик. Именно по событиям операционная система включается в работу и адекватно реагирует на сложившуюся ситуацию.

Задание –единица работы, определяемая пользователем‚ представляющая собой последовательность команд операционной системы для указания нужных характеристик и имен выполняемой программы обрабатываемых ею данных.

Каждое задание реализуется как определенная последовательность отельных программ - задач. Ониобразуют отдельные программы вместе с обрабатываемыми ими данными. Например, типовое задание пользователя включает этапы трансляции, редактирования и собственно выполнения сформированной машинной программы. На каждом этапе выполняется некоторая задача, обрабатывающая определенные данные.

Операционные системы делятся на однопрограммные, многозадачные и многопользовательские.

К однопрограммным операционным системамотносятся такие, которые поддерживают выполнение только одной пользовательской программы. Однопрограммные системы работают или в пакетном, или в диалоговом режиме.

Многозадачные операционные системыпредусматривают одновременное выполнение нескольких приложений. Совмещают пакетный и диалоговый режимы. Указанные ОС обеспечивают пакетную и диалоговую технологии обработки данных.

Пакетная технология или пакетный режим обработки данных, означает, что задания объединяются в пакет, а затем выполняются на ЭВМ без вмешательства пользователя.

Диалоговая технология– это обмен сообщениями между пользователем и системой в реальном времени, т. е. в темпе реакции пользователя, или в режиме разделения времени, когда процессорное время предоставляется различным пользователям (задачам) последовательными квантами. Размер кванта невелик, и у пользователя создается иллюзия непрерывной работы на ЭВМ.

Многопользовательские системы отвечают требованиям пользователей различных категорий и специальностей. Они реализуются сетевыми операционными системами и обеспечивают сетевые, а также пакетные и диалоговые технологии.

Сетевая технология обеспечивает удаленную диалоговую и пакетную технологии.

Технология общения с компьютером зависит от интерфейса, предоставляемого операционной системой. Современные операционные системы поддерживают командный, WIMP, SILK- интерфейсы. В настоящее время прорабатываются вопросы создания общественного интерфейса (social interface).

Командный интерфейсозначает выдачу на экран системного приглашения для ввода команды.

WlMP-интерфейс является графическим и расшифровывается как, Windows (окно), Image (образ), Menu (меню), Pointer (указатель), т. е. на экране высвечивается окно, содержащее образы программ и меню действий. Для выбора одного из них используется указатель.

SILK-интерфейсозначает Speech (речь), Image (образ), Language (язык), Knowledge (знание), т. е. на экране по речевой команде происходит перемещение от одних поисковых образов к другим.

Операционная система MS DOS включает в себя нижеперечисленные компоненты:

Базовая система ввода-вывода BIOS - самый близкий к аппаратуре компонент DOS. BIOS находится в постоянной памяти, которая входит в комплект поставки персонального компьютера. Тип операционной системы может изменяться, a BIOS остается постоянным, поэтому BIOS, являясь неизменяемой частью персонального компьютера, с одной стороны, может рассматриваться как компонент аппаратной части, а с другой стороны, как компонент любой операционной системы, в том числе и MS DOS. Строго говоря, BIOS не входит в состав MS DOS, но, учитывая, что без этого модуля функционирование операционной системы невозможно, будем считать его компонентом ее структуры. Основная функция BIOS – управление стандартными внешними устройствами. Вспомогательные функции BIOS реализуются при включении персонального компьютера на этапе загрузки и состоят в следующем:

· поиск сначала на гибком, а затем на жестком диске программы-загрузчика операционной системы и загрузка с диска в оперативную память;

· тестирование аппаратной части, в том числе и оперативной памяти, а при обнаружении неисправности индикация сообщения;

· инициализация векторов прерываний нижнего уровня.

Загрузчик ОС BOOT RECORD– короткая программа, всегда размещается на диске в нулевом секторе системного диска, занимает объем 512 бaйт. Основное назначение этой небольшой программы состоит в поиске и перезаписи (загрузке) с диска в оперативную память двух файлов – IO.SYS и MS DOS.SYS. Поиск этих модулей и их загрузка в оперативную память осуществляются в определенном порядке, поэтому на диске и в оперативной памяти они занимают фиксированное место и следуют один за другим. На этом процесс загрузки завершается. Если блок начальной загрузки не обнаружит этих модулей на диске, то он выдает соответствующее сообщение, и работа компьютера приостанавливается. Кроме того, функцией загрузчика является запуск модуля расширения BIOS.

Модуль расширения – ЕМ BIOS (Extension Module BIOS) придает гибкость операционной системе при обращении к внешним устройствам, а при необходимости и перекрывает (блокирует) функции постоянного модуля BIOS. Он хранится на диске в виде файла IO.SYS после главного каталога в заранее выделенном фиксированном месте. Объем этого файла небольшой.

После загрузки ОС в оперативную память осуществляется поиск на диске файла CONFIG.SYS, где должны быть указаны необходимые драйверы, и модуль расширения их подключает. Основная его функция в процессе нормальной работы компьютера – это увеличение возможностей BIOS. Функции модуля расширения на этапе загрузки состоят в следующем: определение состояния оборудования; конфигурирование MS DOS пo указаниям в файле CONFIG.SYS;инициализация и переустановка некоторых векторов прерываний нижнего уровня; запуск базового модуля DOS.

При подключении новых устройств в CONFIG.SYS указываются имена новых драйверов, управляющих их работой. Сами драйверы в виде файлов размещаются на диске.

Базовый модульрасполагается в виде файла MS DOS.SYS на системном диске в специально выделенном для него месте вслед за файлом модуля расширения IO.SYS. Объем файла MS DOS.SYS для версии 6.22 – 38 Кбайт. Базовый модуль не имеет жесткой привязки к аппаратной части и при необходимости может быть заменен на другой файл. Основная функция базового модуля в процессе нормальной работы компьютера – управление ресурсами компьютера, файловой системой на дисковом пространстве и управление работой программ при помощи системы прерываний. Функциями базового модуля на этапе загрузки являются: считывание в память и запуск командного процессора, содержащего драйверы устройств CONFIG.SYS, инициализация векторов прерываний верхнего уровня.

Командный процессор, иногда называемый процессором консольных команд, предназначен для поддержки пользовательского интерфейса DOS. Он представляет собой обычный файл COMMAND.COM и располагается на системном диске в любом месте пространства, выделенного под файлы.

Командный процессор состоит из двух модулей – резидентного и транзитного. Резидентный модульхранится в оперативной памяти постоянно после загрузки операционной системы. Транзитный модульможет вытесняться из оперативной памяти на диск прикладной программой, если ей для работы не хватает памяти и возвращаться после окончания её работы. Транзитный модуль содержит исполнитель внутренних команд и загрузчик программ в оперативную память для выполнения.

Взаимодействие с командным процессором осуществляется при помощи команд, под которыми понимается указание на выполнение некоторого действия. Команды бывают двух типов: резидентные (внутренние) и транзитные (внешние). Первые входят в состав самого командного процессора. Вторые являются файлами типа ЕХЕ или СОМ, входящими в состав операционной системы DOS и хранящимися в обычном каталоге, как правило, с именем DOS.

Основные функции командного процессора:

· приём и анализ команд, введенных с клавиатуры или из командного файла;

· выполнение внутренних команд;

· загрузка программ в память для выполнения;

· обработка прерываний по завершении задачи.

Сразу после загрузки командный процессор считывает из корневого каталога загружаемого диска файл AUTOEXEC.BAT (если он существует) и выполняет содержащиеся в нем команды. Выполнив последнюю команду этого файла, командный процессор выводит на экран запрос и входит в цикл ожидания команд оператора. Файл автозагрузки AUTOEXEC.BATсодержит команды, которые должны выполняться каждый раз при начальной загрузке операционной системы. Они осуществляют необходимую настройку операционной системы и устанавливают удобное для работы окружение.

Основным механизмом функционирования MS DOS является система прерываний. Существуют аппаратные, логические и программные прерывания.

Прерывания – это процедуры, которые компьютер вызывает для выполнения определенной задачи.

Аппаратные прерыванияинициируются аппаратурой.

Логические прерываниявозникают при нестандартных ситуациях в работе микропроцессора.

Программные прерыванияинициируются программами, т.е. появляются, когда одна программа хочет получить сервис со стороны другой программы, например доступ к определенным аппаратным средствам.

Активнойили текущей называется та панель, в которой находится указатель. Переход с панели на панель осуществляется нажатием клавиши <Таb>.

В нижней части панели, содержащей оглавление каталога, находится строка мини-статуса. Она содержит информацию о выделенном файле или выбранной группе файлов (сколько их выбрано и суммарный размер). Ниже панелей на экране расположена строка с курсором – командная строка. В ней с помощью клавиатуры можно набирать команды MS DOS, т. е. работать с операционной системой напрямую.

В самой нижней строке экрана находится панель управления. Она сообщает о назначении функциональных клавиш <F1>...<F10>втекущем режиме.

Таблица 3.2.