Общие сведения об операционных системах.
Вычислительная система в целом состоит из трех основных элементов: компьютера, программного обеспечения и пользователя. Операционная система представляет собой комплекс программ, который объединяет эти элементы в единую систему, обеспечивая их взаимодействие. ОС решает следующие основные задачи: · управление вычислительным процессом; · управление устройствами компьютера; · управление размещением и доступом к папкам и файлам на диске. Средства, обеспечивающие взаимодействие между элементами компьютерной системы, называют интерфейсом. В вычислительной системе реализуется несколько видов интерфейсов: · аппаратный интерфейс (обеспечивает взаимодействие между различными узлами компьютера); · программный интерфейс (обеспечивает взаимодействие между программами, выполняемыми компьютером); · аппаратно-программный интерфейс (обеспечивает взаимодействие между узлами компьютера, аппаратурой и выполняемыми программами); · интерфейс пользователя (обеспечивает взаимодействие пользователя с аппаратно-программным комплексом). Согласование между программным и аппаратным обеспечением, а также между компьютером и пользователем организует и осуществляет операционная система. Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества различных ОС. На верхнем уровне находятся ОС для мэйнфреймов (они отличаются от ПК своими возможностям ввода/вывода, объемом дисковой памяти и др.). Мэйнфреймы выступают в виде мощных web-серверов и серверов крупных компаний. ОС дня них в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они выполняют три вида операций; пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. При пакетной обработке выполняются стандартные задания пользователей, работающих и интерактивном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количеством запросов (например бронирование авиабилетов). Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни и тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине, например, работать с большой базой данных. Все эти функции тесно связаны между собой, и операционная система мэйнфрейма выполняет их все. Примером операционной системы для мэйнфрейма является OS/390.
Уровнем ниже находятся серверные ОС. Серверы представляют собой или многопроцессорные компьютеры, или даже мэйнфреймы. Эти ОС одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программно-аппаратные ресурсы. Серверы также предоставляют возможность работы с различными устройствами, файлами или Internet. У Internet-провайдеров обычно работают несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. UNIX и Windows 2000 являются типичными серверными ОС. Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются в повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются операционные системы платформы Windows, Linux и операционная система компьютера Macintosh. Еще один вид ОС - это системы реального времени (главным параметром таких систем является время). Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Если, например, по конвейеру передвигается автомобиль, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Системы VxWorks и QNX являются операционными системами реального времени.
Встроенные операционные системы используются в карманных компьютерах и бытовой технике (выполняют небольшой набор функций). Примерами таких операционных систем являются PalmOS и Windows CE (Consumer Electronics - бытовая техника). Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержащих центральный процессор. На такие операционные системы накладываются очень жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции. Для операционных систем существует набор базовых понятий, такие как процесс, память и файл. Ключевое понятие – процесс. Процессом называют программу в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство – список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Управление адресным пространством процессов – важная функция операционной системы. Кроме того, операционная система управляет созданием, удалением, чтением и сохранением файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно разместить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы. При создании места для хранения файлов ОС использует понятие каталога как способ объединения файлов в группы. Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев. Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинается из вершины структуры каталогов, называемой корневым каталогом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов.
Модель процесса базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Когда их разделяют, появляется понятие потока. С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родственных ресурсов в одну группу (у процесса есть адресное пространство, содержащее программу, данные и другие ресурсы: открытые файлы, дочерние процессы, аварийные необработанные сообщения, обработчики сигналов, учетная информация и многое другое). Гораздо проще управлять ресурсами, объединив их в форме процесса. С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд (у потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий; регистры, в которых хранятся текущие переменные; стек, содержащий протокол выполнения процесса). Хотя поток протекает внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса. Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на ЦП. Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса нескольких достаточно независимых программ. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором - процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Итак, операционные системы различаются по: · количеству одновременно работающих пользователей (однопользовательские и многопользовательские ОС, при этом отличие вторых от первых заключается в наличии средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей);
· числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС (однозадачные и многозадачные, в последнем режиме каждой задаче поочередно выделяется какая-то доля процессорного времени); · типу пользовательского интерфейса (текстового и графического: первые предоставляют пользователю интерфейс командной строки, во вторых в качестве органа управления, кроме клавиатуры, может использоваться устройство позиционирования); · способу использования аппаратных и программных ресурсов (локальные и сетевые ОС, последние предназначены для эффективного решения задач распределенной обработки данных и делятся на одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами); · количеству используемых в компьютере процессоров и разрядности процессора (одно- и многопроцессорные, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные). Как правило, операционная система содержит в себе следующие компоненты: ядро, файловую систему, диспетчер задач (или планировщик задач), драйверы устройств и различные сервисный программы (упрощающие обслуживание, наладку и оптимизацию работы внешних устройств). Ядро операционной системы состоит из BIOS (basic input/output system) - базовой системы ввода/вывода (обеспечивает: автоматическое тестирование основных аппаратных компонентов при включении машины, вызов блока начальной загрузки DOS, обслуживание системных вызовов или прерываний); ВIO.СОМ - модуля расширения базовой системы ввода-вывода (дает возможность включения в состав ОС дополнительных подпрограмм, обслуживающих новые внешние устройства); DOS.COM - модуля обработки прерываний (его компонентами являются подпрограммы, обеспечивающие работу файловой системы, устройств, обслуживание некоторых специальных ситуаций, связанных с завершением программ, их искусственным прерыванием и обработкой ошибок); COMMAND.COM - командного процессора (представляющего собой программу, осуществляющую перевод команд с языка программирования на язык машинных кодов; его основная функция заключается в приеме, анализе и исполнении команд пользователя, обращенных к DOS, и в обработке командных файлов). В архитектуре ПЭВМ базовую систему ввода-вывода (BIOS) можно рассматривать, с одной стороны, как составную часть аппаратных средств, с другой стороны - BIOS является одним из программных модулей дисковой операционной системы. BIOS находится не на дисках, как все остальные модули, а в ПЗУ, которое установлено внутри системного блока. Операционным системам приходится работать с большими объемами программ и данных. Управление ими организует файловая система (система управления данными), которая включает в себя программы доступа к магнитным носителям и специальные таблицы, в которых хранится служебная информация (о том, на какие части разбит диск, где на диске располагаются файлы и т.д.). В процессе подготовки магнитного диска к записи (форматирования) производится его разметка. Запись осуществляется по дорожкам (трекам), причем каждая дорожка разбивается на секторы размером по 512 байт (один или несколько смежных секторов дорожки составляют кластер).
В процессе форматирования на диске выделяется системная область, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора (размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0), таблицы размещения файлов - сокращенно FAT - располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска (а также информацию о дефектных участках диска). За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность сохранения этой очень важной таблицы (начиная с операционной системы Windows 98 используется FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов) и корневого каталога (всегда находится за копией FAT) - в нем содержится перечень файлов и директорий, находящихся на диске. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные, организованные в файлы. Файловая система (часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на диске и доступ к ним) во многом определяет скорость и эффективность работы магнитных носителей, надежность и секретность хранения информации на них. От нее требуется четкое выполнение следующих действий: · определение физического расположения частей файла; · определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов. Файл - это поименованная область на диске или другом носителе информации (точнее, файл - логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область). Пользователь во время работы с компьютером имеет дело не с битами или байтами (и даже не с секторами и кластерами), а с файлами, которые можно «запускать», «просматривать», «редактировать», «переименовывать», «переносить», «копировать», «удалять». Заметим, что файлы объединяются в особые структуры, которые носят название «папки» (каталоги, директории). На диске файл не требует для своего размещения непрерывного пространства, обычно он занимает свободные кластеры в разных частях диска (сведения о номерах кластеров хранятся в FAT-таблице). В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации (тексты, рисунки, программы, таблицы и т.д.). Для характеристики файла используются следующие параметры: основное имя файла; объем файла в байтах; дата и время создания файла; специальные атрибуты (только для чтения, системный, скрытый архивированный). Каждый файл имеет свое индивидуальное имя, состоящее из двух частей: собственно имя (название) и идентификатор, определяющий его тип (называемый расширением: exe, com – «исполняемый», хранящий в себе программу файл; txt, doc – текстовый файл; hlp – файл справки; bmp – графическая информация и др.). Полное имя файла (при обращении к нему) имеет следующий вид: [дисковод:] [путь\] имя файла. Путь - это цепочка соподчиненных каталогов (папок), которую необходимо пройти по иерархической структуре к каталогу, где зарегистрирован искомый файл. В MS-DOS, например, имя файла может содержать от 1 до 8 символов и расширение от 0 до 3 символов. В некоторых ОС, например в UNIX, расширения файлов являются просто соглашениями, и ОС не заставляет пользователя их строго придерживаться. Система Windows, напротив, знает о расширениях файлов и назначает каждому расширению определенное значение. Пользователи или процессы могут регистрировать расширения в ОС, указывая программу, создающую данное расширение. При двойном щелчке мышью на имени файла запускается программа, назначенная этому расширению, с именем файла в качестве параметра. Например, двойной щелчок мышью на имени file.doc запускает MS Word, который открывает этот файл. Файловая система скрывает от программистов картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ (или, как еще говорят, логический уровень работы с файлами). Наиболее распространенным видом файлов являются файлы с последовательной структурой (такого рода файлы можно рассматривать как набор составных элементов, называемых логическими записями или блоками, длина которых может быть как фиксированной, так и переменной, и доступ к которым - последовательный). В ряде файловых систем предусматривается использование более сложных логических структур файлов, чем последовательная. Например, записи в файле могут образовывать древовидные структуры, может использоваться индексно-последовательная организация файлов (с упорядочением записей по значению некоторых полей) или, так называемая, библиотечная структура файлов (использующая уровень учетной информации или каталога, облегчающей поиск и доступ к отдельным компонентам файлов). Роль учетного механизма, позволяющего обслуживать десятки и сотни файлов, в файловой системе очень важна. Общим приемом является сведение учетной информации о расположении файлов на магнитном диске в одно место - его каталог (директорий, папку), который представляет собой список элементов, характеризующих конкретный файл (имя файла, его тип, местоположение на диске, длину). В простых операционных системах местоположение каталога на магнитном диске (дискете) и его размер фиксированы. В более сложных системах каталог может находиться в любом месте диска, но на него должна иметься ссылка в, так называемой, метке тома, находящейся в фиксированном месте и формируемой при инициализации диска. Кроме ядра и файловой системы ОС содержит в себе: Диспетчер задач (или планировщик задач), обеспечивает запуск различных заданий и распределение между ними ресурсов компьютера. Драйверы устройств - специальные программы, управляющие работой устройств компьютера (помимо стандартных, т.е. внутренних драйверов существуют и загружаемые - внешние драйверы в виде исполняемых файлов, главное назначение последних - обслуживание дополнительного или нестандартного оборудования, установленного на ПЭВМ). Утилиты - это различные сервисные программы, упрощающие обслуживание, наладку и оптимизацию работы внешних устройств или оптимизирующие работу самой ОС. В функции операционной системы входит: · осуществление 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; · всевозможные вспомогательные операции обслуживания; · передача информации между различными внутренними устройствами; · программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.). Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера. Каждая операционная система имеет свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия (запускать программы, обращаться к каталогу, выполнять разметку внешних носителей и многое другое). Команды пользователя (например, команды DOS), служат основным средством общения пользователя с ОС до тех пор, пока не будет вызвана какая-либо прикладная программа (задача), или «надстройка». Команды DOS позволяют готовить диски для работы, копировать файлы, переименовывать их, удалять из каталогов, сменять текущий каталог и текущий накопитель, изменять режим работы дисплея, выводить содержимое текстовых файлов на экран дисплея, на принтер или в коммуникационный канал. Анализ и исполнение команд пользователя (включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск) осуществляет командный процессор операционной системы. Команды вводятся с клавиатуры, их ввод завершается нажатием клавиши <ВВОД> (<ENTER>). Общие команды MS DOS делятся на группы: · команды работы с дисками; · команды работы с файлами; · команды работы с каталогами; · команды управления системой. Основные из них: copy – копирование файлов, del – удаление файлов, ren – переименование файлов, move – перемещение файлов, cd – изменение текущего каталога, dir – просмотр каталога, md – создание каталога, rd – уничтожение каталога. Обычно для выполнения команды указываются: команда, путь, имя файла.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|