Какие функции должна выполнять операционная система. Назначение и основные функции операционных систем

2.Понятие файловой системы.

3. Управление установкой, исполнением и удалением приложений

4. Обеспечение взаимодействия с аппаратным обеспечением

5. Обслуживание компьютера

6. Прочие функции операционных систем

1.НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений.

Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

· одно- и многозадачные;

· одно- и многопользовательские;

· непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.

Основная функция всех операционных систем - посредническая. Она заключаются в обеспечении нескольких видов интерфейса:

· интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

· интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно -программный интерфейс);

· интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

1.1.Обеспечение интерфейса пользователя

1.1.1.Режимы работы с компьютером

Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем.

В пакетном режиме операционная система автоматически исполняет заданную последовательность команд.

Суть диалогового режима состоит в том, что операционная система находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды.

Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS. Опираясь на эти аппаратные прерывания, операционная система создает свой комплекс системных прерываний. Способность операционной системы прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.

1.1.2.Виды интерфейсов пользователя

По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы.

Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки.

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши - графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь.

1.2. Обеспечение автоматического запуска

Все операционные системы обеспечивают свой автоматический запуск. Для дисковых операционных систем в специальной (системной) области диска создается запись программного кода. Обращение к этому коду выполняют программы, находящиеся в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Завершая свою работу, они дают команду на загрузку и исполнение содержимого системной области диска.

Недисковые операционные системы характерны для специализированных вычислительных систем, в частности для компьютеризированных устройств автоматического управления. Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог операционной системы. Ее автоматический запуск осуществляется аппаратно. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ (его можно изменять аппаратно с использованием логических микросхем), с которого начинается запись программы инициализации операционной системы.

2.ПОНЯТИЕ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Организация файловой системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора.

Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT 16. Она позволяет разместить в.FAT-таблицах не более 2 16 записей о местоположении единиц хранения данных и, соответственно, для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT 16 вообще работать не может.

2.2. Обслуживание файловой структуры

Несмотря на то что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры - людям так удобнее, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы:

§ создание файлов и присвоение им имен;

§ создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

§ переименование файлов и каталогов (папок);

§ копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

§ удаление файлов и каталогов (папок);

§ навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

§ управление атрибутами файлов.

2.3. Создание и именование файлов

Файл - это именованная последовательность байтов произвольной длины. Поскольку из этого определения вытекает, что файл может иметь нулевую длину, то фактически создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе - это одна из функций операционной системы.

По способам именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. Согласно соглашению 8.3, принятому в MS-DOS, имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение - 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита.

Соглашение 8.3 не является стандартом, и потому в ряде случаев отклонения от правильной формы записи допускаются как операционной системой, так и ее приложениями(например, в большинстве случаев система «не возражает» против использования некоторых специальных символов, а некоторые версии MS-DOS даже допускают использование в именах файлов символов русского и других алфавитов). Сегодня имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются «короткими».

Основным недостатком «коротких» имен является их низкая содержательность. С появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ / : * ? " < > |.В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки.

Наряду с «длинным» именем операционные системы Windows 95,98,2000 создают также и короткое имя файла - оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование «длинных» имен файлов в операционных системах Windows имеет ряд особенностей.

1. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания.

2. В корневой папке диска нежелательно хранить файлы с длинными именами - в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения, причем, чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке.

3. Кроме ограничения на длину имени файла (256 символов) существует гораздо более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов.

4. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского.

5. Прописные и строчные буквы не различаются операционной системой. Однако символы разных регистров исправно отображаются операционной системой, и, если для наглядности надо использовать прописные буквы, это можно делать.

6. В современных операционных системах любое расширение имени файла может нести информацию для операционной системы. Системы Windows имеют средства для регистрации свойств типов файлов по расширению их имени, поэтому во многих случаях выбор расширения имени файла не является частным делом пользователя. Приложения этих систем предлагают выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически.

2.4. Создание каталогов (папок)

Каталоги (папки) - важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т. п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

Мы знаем, что в иерархических структурах данных адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих операционных системах в качестве такого символа используется «\», например:

2.4.1.Особенности Windows

До появления операционной системы Windows 95 при описании иерархической файловой структуры использовался введенный выше термин каталог. С появлением этой системы был введен новый термин - папка. В том, что касается обслуживания файловой структуры носителя данных, эти термины равнозначны: каждому каталогу файлов на диске соответствует одноименная папка операционной системы. Основное отличие понятий папка и каталог проявляется не в организации хранения файлов, а в организации хранения объектов иной природы.

2.5.Копирование и перемещение файлов.

В неграфических операционных системах операции копирования и перемещения файлов выполняются вводом прямой команды в поле командной строки.

В графических операционных системах существуют приемы работы с устройством позиционирования, позволяющие выполнять эти команды наглядными методами.

2.6.Навигация по файловой структуре

Навигация по файловой структуре является одной из наиболее используемых функций операционной системы. Удобство этой операции часто воспринимают как удобство работы с операционной системой. В операционных системах, имеющих интерфейс командной строки, навигацию осуществляют путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога в каталог. В связи с крайним неудобством такой навигации, широкое применение нашли специальные служебные программы, называемые файловыми оболочками.

Как и операционные системы, файловые оболочки бывают неграфическими и графическими. Наиболее известная неграфическая файловая оболочка для MS-DOS -диспетчер файлов Norton Commander , а роль графической файловой оболочки для MS-DOS в свое время исполняли программы Windows 1.0 и Windows 2.0, которые постепенно развились до понятия операционной среды (в версиях Windows 3.x) и далее до самостоятельной операционной системы (Windows 95/98).

3. УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ, ИСПОЛНЕНИЕМ И УДАЛЕНИЕМ ПРИЛОЖЕНИЙ

3.1.Понятие многозадачности

Работа с приложениями составляет наиболее важную часть работы операционной системы. С точки зрения управления исполнением приложений, различают однозадачные и многозадачные операционные системы.

Однозадачные операционные системы (например, MS-DOS) передают все ресурсы вычислительной системы одному исполняемому приложению и не допускают ни параллельного выполнения другого приложения (полная многозадачность), ни его приостановки и запуска другого приложения (вытесняющая многозадачность). В то же время параллельно с однозадачными операционными системами возможна работа специальных программ, называемых резидентными. Такие программы не опираются на операционную систему, а непосредственно работают с процессором, используя его систему прерываний.

Большинство современных графических операционных систем - многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают:

§ возможность одновременной или поочередной работы нескольких приложений;

§ возможность обмена данными между приложениями;

§ возможность совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

3.2.Вопросы надежности

От того, как операционная система управляет работой приложений, во многом зависит надежность всей вычислительной системы. Операционная система должна предоставлять возможность прерывания работы приложений по желанию пользователя и снятия сбойной задачи без ущерба для работы других приложений. При этом требование надежности операционной системы может входить в противоречие с требованием ее универсальности.

Так, например, наиболее универсальные операционные системы Windows 95,98,2000 могут испытывать общесистемные сбои из-за работы с приложениями, недостаточно четко соблюдающими спецификацию операционной системы. Операционные системы Windows NT , OS/2 и XP обладают повышенной устойчивостью и не выходят из строя при сбое приложений, но имеют меньшую универсальность, и, соответственно, парк доступных приложений для них ограничен.

Поэтому общепринятой является практика, когда программа разрабатывается и отлаживается в операционной системе Windows NT,XP, а ее окончательная сборка и компиляция выполняются в Windows 95/98, 2000.

3.3.Установка приложений

Для правильной работы приложений на компьютере они должны пройти операцию, называемую установкой. Таким образом, дистрибутивный комплект (установочный пакет) программного обеспечения, как правило, представляет собой не законченный программный продукт, а полуфабрикат, из которого в процессе установки на компьютере формируется полноценное рабочее приложение. При этом осуществляется привязка приложения к существующей аппаратно-программной среде и его настройка на работу именно в этой среде.

Устаревшие операционные системы (например, MS-DOS) не имеют средств для управления установкой приложений.

Современные графические операционные системы берут на себя управление установкой приложений. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями, обеспечивают доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств вычислительной системы, формируют общие ресурсы, которые могут использоваться разными приложениями, выполняют регистрацию установленных приложений и выделенных им ресурсов.

3.4.Удаление приложений

Процесс удаления приложений, как и процесс установки, имеет свои особенности и может происходить под управлением вычислительной системы. В таких операционных системах, где каждое приложение самообеспечено собственными ресурсами (например, в MS-DOS), его удаление не требует специального вмешательства операционной системы. Для этого достаточно удалить каталог, в котором размещается приложение, со всем его содержимым.

В операционных системах, реализующих принцип совместного использования ресурсов (например, в Windows 95/98), процесс удаления приложений имеет особенности. Нельзя допустить, чтобы при удалении одного приложения были удалены ресурсы, на которые опираются другие приложения, даже если эти ресурсы были когда-то установлены вместе с удаляемым приложениям. В связи с этим удаление приложений происходит под строгим контролем операционной системы.

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С АППАРАТНЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ

Средства аппаратного обеспечения вычислительной техники отличаются гигантским многообразием. Ни один разработчик программного обеспечения не в состоянии предусмотреть все варианты взаимодействия их со своей программой.

Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления - драйверы. Драйверы имеют точки входа для взаимодействия с прикладными программами, а диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств - это одна из функций операционной системы. Строго говоря, выпуская устройство, его разработчик прикладывает к нему несколько драйверов, предназначенных для основных операционных систем, как-то: Windows 95/98, Windows NT, MS-DOS и т. п.

В операционных системах MS-DOS драйверы устройств загружаются как резидентные программы, напрямую работающие с процессором и другими устройствами материнской платы. Загрузка драйверов устройств может быть ручной или автоматической, когда команды на загрузку и настройку драйверов включаются в состав файлов, автоматически читаемых при загрузке компьютера.

В таких операционных системах, как Windows 95/98 и Windows NT, операционная система берет на себя все функции по установке драйверов устройств и передаче им управления от приложений. Во многих случаях операционная система даже не нуждается в драйверах, полученных от разработчика устройства, а использует драйверы из собственной базы данных.

Каждое подключенное устройство может использовать до трех аппаратных ресурсов устройств материнской платы: адресов внешних портов процессора, прерываний процессора и каналов прямого доступа к памяти. Если устройство подключается к материнской плате через шину PCI, то есть техническая возможность организовать между ним и материнской платой обратную связь. Это позволяет операционной системе анализировать требования устройств о выделении им ресурсов и гибко реагировать на них, исключая захват одних и тех же ресурсов разными устройствами. Такой принцип динамического распределения ресурсов операционной системой получил название plug-and-play, а устройства, удовлетворяющие этому принципу, называются самоустанавливающимися.

Если же устройство подключается к устаревшей шине ISA и не является самоустанавливающимся, то в этом случае операционная система не может динамически выделять ему ресурсы, но, тем не менее, при распределении ресурсов для самоустанавливающихся устройств, она учитывает ресурсы, захваченные им.

5. ОБСЛУЖИВАНИЕ КОМПЬЮТЕРА

Предоставление основных средств обслуживания компьютера - одна из функций операционной системы, она решается внешним образом - включением в базовый состав операционной системы первоочередных служебных приложений.

5.1.Средства проверки дисков

Надежность работы дисков (особенно жесткого диска) определяет не только надежность работы компьютера в целом, но и безопасность хранения данных, ценность которых может намного превышать стоимость самого компьютера. Поэтому наличие средств для проверки дисков является обязательным требованием к любой операционной системе.

Средства проверки принято рассматривать в двух категориях: средства логической проверки, то есть проверки целостности файловой структуры, и средства физической диагностики поверхности. Логические ошибки, как правило, устраняются средствами самой операционной системы, а физические дефекты поверхности только локализуются.

Логические ошибки файловой структуры имеют два характерных проявления: это потерянные кластеры или общие кластеры. Потерянные кластеры образуются в результате неправильного (или аварийного) завершения работы с компьютером. Кроме того, в операционных системах Windows также нельзя выключать компьютер, если не исполнена специальная процедура завершения работы с операционной системой.

Ошибка, проявляющаяся как общие кластеры, характеризуется тем, что, согласно данным FAT-таблиц, два или более файлов претендуют на то, что их данные находятся в одном и том же месте диска. При нормальной работе такой ситуации быть не может, и это свидетельствует об ошибке в.FAT-таблицах. Причиной появления общих кластеров может стать самопроизвольное изменение данных в FAT-таблицах или некорректное восстановление ранее удаленных данных с помощью внесистемных средств.

5.2.Средства «сжатия» дисков

Некоторые операционные системы предоставляют служебные средства для программного «сжатия» дисков путем записи данных на диск в уплотненном виде посредством специального драйвера (резидентного для MS-DOS или работающего в фоновом режиме для Windows).

5.3.Средства управления виртуальной памятью

Ранние операционные системы ограничивали возможность использования приложений по объему необходимой для их работы оперативной памяти.

Современные операционные системы не только обеспечивают непосредственный доступ ко всему полю оперативной памяти, установленной в компьютере, но и позволяют ее расширить за счет создания так называемой виртуальной памяти на жестком диске. Виртуальная память реализуется в виде так называемого файла подкачки. В случае недостаточности оперативной памяти для работы приложения часть ее временно опорожняется с сохранением образа на жестком диске. В процессе работы приложений происходит многократный обмен между основной установленной оперативной памятью и файлом подкачки.

5.4.Средства кэширования дисков

Поскольку, взаимодействие процессора с дисками компьютера происходит намного медленнее операций обмена с оперативной памятью, операционная система принимает специальные меры по сохранению части прочитанных с диска данных в оперативной памяти. В случае, если по ходу работы процессору вновь потребуется обратиться к ранее считанным данным или программному коду, он может найти их в специальной области ОЗУ, называемой дисковым кэшем. В современных операционных системах эту функцию включают в ядро системы, и она работает автоматически, без участия пользователя, хотя определенная возможность настройки размера кэша за ним сохраняется.

5.5.Средства резервного копирования данных

Ценность данных, размещенных на компьютере, принято измерять совокупностью затрат, которые может понести владелец в случае их утраты. Важным средством защиты данных является регулярное резервное копирование на внешний носитель. В связи с особой важностью этой задачи операционные системы обычно содержат базовые средства для выполнения

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-02

Операционные системы: назначение и основные функции

Понятие Операционной системы

Операционная система (ОС) – комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных и программных частей компьютера между собой и взаимодействие пользователя и компьютера.

ОС обеспечивает целостное функционирование всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к аппаратным возможностям компьютера. Операционная система является базовой и необходимой составляющей ПО компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

Состав ОС

Структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС) - управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

т .е. переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятый компьютеру

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

т .е. запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т.д.

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

т .е. специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами. Любому устройству соответствует свой драйвер.

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером

т.е. такие программы позволяют обслуживать диски, выполнять операции с файлами, работать в компьютерных сетях и т.д.

Назначение Операционной системы

ОС предназначена для решения следующих задач:

обслуживания аппаратуры компьютера;

создания рабочей среды и интерфейса пользователя;

выполнения команд пользователя и программных инструкций;

организации ввода/вывода, хранения информации и

управления файлами и данными.

Согласно определению, все задачи, решаемые ОС, можно разбить на две группы:

предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной (т.е. реально не существующей) машины, с которой удобнее работать и которую легче программировать;

повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Функции Операционной системы

Основные функции:

Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

Обеспечение пользовательского интерфейса.

Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции:

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 1950-60-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Операционная система DOS

DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.)

С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. ОС DOS позволила успешно работать с ПК на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOSвыступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – так появились программы-оболочки.

Оболочка – это программа, которая запускается под управлением ОС и помогает пользователю работать с ОС. Программа-оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно искать, копировать, перемещать, удалять сортировать, изменять и запускать всего несколькими клавишами. Одна из самых распространенных – Norton Commander(NC). В графических оболочках Windows 3.1 и Windows 3.11 применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану, закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу.

В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может содержать не более 8 символов. Кроме того DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами.

Так как DOS была создана очень давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым сегодня к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры.

Операционная система MICROSOFT WINDOWS

Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой.

Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек:

Многозадачность;

Единый программный интерфейс;

Единый интерфейс пользователя;

Графический интерфейс пользователя;

Единый аппаратно-программный интерфейс.

На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера.

В MS Windows для хранения файлов используется файловая модификация FAT–VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов.

В ОС Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор «мышь», в MS DOS используется только клавиатура.

Также в MSWindowsприсутствует панель задач (Taskbar). Она делает нагляднвм механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями.

Рабочий стол Windows сконструирован так, чтобы максимально облегчить работу пользователя-новичка и в то же время предоставить максимальные возможности его настройки в соответствии с конкретными нуждами опытных пользователей.

Операционная система LINUX

Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows.

Будучи традиционной оперативной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя ПК скорость, Эффективность и гибкость UNIX, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста.

С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования.

Операционные системы UNI X

UNIX– группа переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

Первая система UNIX была разработана в 1969 г. в подразделении Bell Labs компании AT&T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем.

Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя:

использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;

широкое применение утилит, запускаемых в командной строке;

взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства - терминала;

представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия как файлов;

использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу.

UNIX- системы имеют большую историческую важность, поскольку благодаря им распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и распространились некоторые популярные сегодня концепции и подходы в области ОС и программного обеспечения. Также, в ходе разработкиUNIX- систем был создан язык Си.

ОС- это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.

К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессы, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Для решения задач управления ресурсами разные ОС использую различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС.

Итак, в число требований, предъявляемых сегодня к сетевым ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, переносимость и многоплатформенность, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность отказоустойчивость, безопасность и производительность.

ОС выступает в качестве посредника между пользователем и технической составляющей персонального компьютера. Именно на операционную систему возложено большое число функций для стабильной и эффективной работы устройства. Какие функции выполняет операционная система? Она выполняет три основных функции: распределение, осуществление текущего контроля и планирование. Операционная система многим напоминает инженеров на заводе - так же планирует, когда запускать ту или иную службу и в какой очередности, чтобы не было системного конфликта.

Функция распределения

В функции операционной системы входит очень важная функция - распределения. ОС распределяет очередность запуска тех или иных программ и приложений. Важно понимать, что каждая запущенная программа требует определенного объема памяти, поэтому запуск всех программ одновременно технически невозможен. Поэтому есть очередь запуска, которая осуществляет свою деятельность благодаря функции распределения. Кроме этого, функция распределения управляет сетевыми устройствами, устройствами ввода-вывода и прочими периферийными аппаратами.

Функция планирования

Каждая операционная система выполняет функции планирования. Как уже говорилось, персональный компьютер не в состоянии работать сразу с тысячами задач, для этого существует функция планирования. Зачастую мы одновременно работаем в текстовом редакторе, отправляем файлы на печать и сканируем документы. Так вот, чтобы все эти процессы работали, операционная система скоординирует работу всех процессов - они будут выполняться максимально эффективно и не потребуют много времени. Функции операционной системы позволяют устанавливать приоритеты выполнения задач, что, несомненно, сказывается на скорости выполнения всех процессов.

Функция контроля

Как и любая многозначная система, операционная система контролирует всю деятельность программ и прочих процессов компьютера. Отвечающая за контроль функция так и называется - функция контроля. Операционная система позволяет максимально эффективно использовать программные и технические средства. ОС отслеживает все процессы компьютера и ведет специальный журнал, в котором отражаются все процессы, в том числе какие программы запущены, используются и т.д., что позволяет мониторить всю ситуацию с персональным компьютером и предотвратить несанкционированный доступ к персональным данным. Существуют и другие функции операционной системы, мы упомянули лишь самые основные. В оперативной памяти компьютера хранится только небольшая часть ОС - ядро операционной системы, а большая часть хранится на жестком диске. Однако при выполнении какой-либо программы операционная система загружает ОЗУ. Размеры ОЗУ не безграничны, поэтому контроль за выполнением программ очень важен. Функции операционной системы максимально упрощают контроль процессов, происходящих в компьютере, и позволяют с максимальной точностью выявить проблему в случае ее возникновения.

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем. В большинстве вычислительных систем операционные системы являются основной частью системного программного обеспечения.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера - на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Она 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.

Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Основные функции операционных систем:

Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память).

Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, компакт-диск и т. д.), организованным в той или иной файловой системе.

Пользовательский интерфейс.

Сетевые операции, поддержка стека протоколов.

Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

В различных моделях компьютеров используют операционные системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы с готовыми программами. В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем:

Однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;

Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации на печать;

Однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из которых будет работать на "свою" задачу;

Многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти операционные системы очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.

Наиболее распространенными операционными системами являются:

Mac OS – операционная система корпорации Apple.

OS/2 - операционная система фирмы IBM.

Windows - операционная система корпорации Microsoft.

Linux - общее название Unix-подобных операционных систем на основе одноимённого ядра и собранных для него библиотек и системных программ, разработанных в рамках проекта GNU.

Сетевое обеспечение

Распределенная система – набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в распределённой системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим увеличить скорость вычислений, объем доступной информации, повысить надежность.

Командный интерфейс системы

Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:

Создание и управление процессов;

Управление вводом/выводом;

Управление внешней памятью;

Управление основной памятью;

Доступ к файловой системе;

Поддержку работы сети.

Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имеет разные названия:

Интерпретатор управляющих карт;

Процессор команд консолей;

-shell (в Unix ).

Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.

1. Функции операционных систем

2. Система прерываний

3. Защита памяти.

4. Виртуа́льная па́мять

5. Управление данными

6. Фа́йловая систе́ма

8. Утили́та

9. Дра́йвер

10. Технология Plug-and-Play

11. Мультимедиа

Функции операционных систем

По современным представлениям операционная система должна уметь делать следующее:

− обеспечивать загрузку прикладных программ в память и их исполнение,

− обеспечивать управление памятью; в простейшем случае это указание единственной загруженной программе адреса, на котором кончается память, доступная для использования, и начинается память, занятая системой, в многопроцессных системах это сложная задача управления системными ресурсами,

− обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, оптические диски, флэш-память и т. д.,

− предоставлять более или менее стандартизованный доступ к различным периферийным устройствам, таким как модемы, принтеры или двигатели, поворачивающие рулевые плоскости истребителя,

− предоставлять некоторый пользовательский интерфейс (слово некоторый здесь сказано не случайно - часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из интерфейсной подсистемы).

Существуют ОС, функции которых этим и исчерпываются. Одна из хорошо известных систем такого типа - дисковая операционная система MS DOS.

Более развитые ОС предоставляют также следующие возможности:

− параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач,

− организацию взаимодействия задач друг с другом,

− организацию межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов,

− защиту системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ,

− аутентификацию (проверку того, что пользователь является тем, за кого он себя выдает), авторизацию (проверка, что тот, за кого себя выдает пользователь, имеет право выполнять ту или иную операцию) и другие средства обеспечения безопасности.

Система прерываний

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для её исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.

Можно считать, что центральный процессор переключает свое внимание с устройства на устройство и с функции на функцию. На что именно обращено внимание ЦП в каждый данный момент, определяется выполняемой им программой.

Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или другими словами – входят в зону его внимания.

Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует система прерываний ЭВМ.

Прерывание – это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой – обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Выполнение прерывания в компьютере: tр - время реакции процессора на запрос прерывания; tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания; tв - время восстановления прерванной программы

После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы – обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.

Время реакции – это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию.

Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.

Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора.

Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды.

Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом.

Глубина прерывания – максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 1.3.2. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.

Рис. 1.3.2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний

Без учета времени реакции, а также времени запоминания и времени восстановления:

Прерывания делятся на аппаратные и программные.

Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора. Они бывают:

· маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера;

· немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может.

Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:

особый случай, возникший при выполнении команды и препятствующий нормальному продолжению программы (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.);

наличие в программе специальной команды прерывания INTn, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации.

Каждому запросу прерывания в компьютере присваивается свой номер (тип прерывания), используемый для определения адреса обработчика прерывания.

При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:

· определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);

· определение типа выбранного запроса;

· сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;

· определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;

· выполнение программы - обработчика прерывания;

· восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;

· продолжение выполнения прерванной программы.

Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.

Задача программиста – составить программу – обработчик прерывания, которая выполняла бы действия, связанные с появлением запроса данного типа, и поместить адрес начала этой программы в специальной таблице адресов прерываний. Программа-обработчик, как правило, должна начинаться с сохранения состояния тех регистров процессора, которые будут ею изменяться, и заканчиваться восстановлением состояния этих регистров. Программа-обработчик должна завершаться специальной командой, указывающей процессору на необходимость возврата в прерванную программу.

Распознавание наличия сигналов запроса прерывания и определение наиболее приоритетного из них может проводиться различными методами. Рассмотрим один из них.

Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания

На рис. 1.3.3 приведена схема, обеспечивающая получение номера наиболее приоритетного запроса прерывания из присутствующих в компьютере на момент подачи сигнала опроса ("дейзи-цепочка")

Данная схема используется для анализа запросов аппаратных прерываний. Приоритет запросов прерываний (ЗПi) уменьшается с уменьшением номера запроса. В тот момент, когда компьютер должен определить наличие и приоритет внешнего аппаратного прерывания (обычно после окончания выполнения каждой команды), процессор выдает сигнал опроса. Если на входе ЗП3 присутствует сигнал высокого уровня (есть запрос), то на элементе 11 формируется общий сигнал наличия запроса прерывания и дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется. Если ЗП3=0, то анализируется сигнал ЗП2 и так далее. На шифраторе (элемент 12) формируется номер поступившего запроса прерывания.

Этот номер передается в процессор лишь при наличии общего сигнала запроса прерывания.

Такая структура позволяет быстро анализировать наличие сигнала запроса прерывания и определять наиболее приоритетный запрос из нескольких присутствующих в данный момент. Распределение приоритетов запросов прерываний внешних устройств осуществляется путем их физической коммутации по отношению к процессору. Указание приоритетов - жесткое и не может быть программно изменено. Изменение приоритетов возможно только путем физической перекоммутации устройств.

Рис. 1.3.3. Схема определения номера наиболее приоритетного запроса прерывания

Микропроцессоры типа х86 имеют два входа запросов внешних аппаратных прерываний:

· NMI - немаскируемое прерывание, используется обычно для запросов прерываний по нарушению питания;

· INT - маскируемое прерывание, запрос от которого можно программным образом замаскировать путем сброса флага IF в регистре флагов.

Рис. 1.3.4. Структура контроллера приоритетных прерываний

Единственный вход запроса маскируемых прерываний микропроцессора не позволяет подключить к нему напрямую сигналы запросов от большого числа различных внешних устройств, которые входят в состав современного компьютера: таймера, клавиатуры, "мыши", принтера, сетевой карты и т.д. Для их подключения к одному входу INT микропроцессора используется контроллер приоритетных прерываний (рис. 1.3.4). Его функции:

· восприятие и фиксация запросов прерываний от внешних устройств;

· определение незамаскированных запросов среди поступивших запросов;

· проведение арбитража: выделение наиболее приоритетного запроса из незамаскированных запросов в соответствии с установленным механизмом назначения приоритетов;

· сравнение приоритета выделенного запроса с приоритетом запроса, который в данный момент может обрабатываться в микропроцессоре, формирование сигнала запроса на вход INT микропроцессора в случае, если приоритет нового запроса выше;

· передача в микропроцессор по шине данных типа прерывания, выбранного в процессе арбитража, для запуска соответствующей программы - обработчика прерывания; это действие выполняется по сигналу разрешения прерывания INTA от микропроцессора, который выдается в случае, если прерывания в регистре флагов микропроцессора не замаскированы (IF=1).

Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица (рис. 1.3.5) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.

Рис. 1.3.5. Структура таблицы векторов прерываний

Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду - типу прерывания (табл. 1.3.1).

Таблица 1.3.1.

Различные источники задают тип прерывания по-разному:

· программные прерывания вводят его изнутри процессора или содержат его в номере команды INT n;

· аппаратные маскируемые прерывания вводят его от контроллера приоритетных прерываний по шине данных;

· немаскируемому аппаратному прерыванию назначен тип 2.

Во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль – супервизор прерываний.

Супервизор прерываний выполняет следующие действия:

Сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи;

Определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;

Устанавливает необходимый режим обработки пребывания;

Передает управление подпрограмме обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач. Диспетчер задач производит:

Выбор готовой к выполнению задачи (в соответствии с дисциплиной обслуживания)

Восстановление контекста задачи;

Установка прежнего режима работы системы прерываний;

Передачу управления выбранной задаче.

В мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе.

В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память, так как при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет её до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д.

При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной.

Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами ЭВМ и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.

Защита памяти.

Если в памяти могут одновременно находиться несколько независимых программ, необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращения одной программы к областям памяти используемым другими программами. Программы могут содержать такие ошибки, которые если этому не воспрепятствовать приводят к искажению информации принадлежащей другим программам. Таким образом, надо исключать воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и на программно операционную систему. Для воспрепятствования разрушению достаточно защитить область памяти данной программы от попыток записи в нее со стороны других программ, а в некоторых случаях и своей программы (защита от записи). При этом допускается обращение других программ в этой области для считывания данных. В других случаях, например при обращении на доступ к информации хранящейся в системе надо иметь возможность запрещать, другим программам производить, как запись, так и чтение в данной области памяти. Такая защита от записи и чтения помогает отладке программы, при этом осуществляется контроль каждого случая выхода за область памяти своей программы. Для облегчения отладки программ желательно выявлять и такие характерные ошибки в программах, как попытки использования данных вместо команд или команд вместо данных в собственной программе, хотя эти ошибки могут и не разрушать информацию. Отмечают следующие варианты дифференцированной защиты, при различных операциях с памятью:

1. задается отношение к области памяти чужой программы, определяющей относится защита только к операции с записью или к любому обращению в память;

2. задается одно из следующих обращений к области памяти собственной программы:

· разрешается доступ к данному блоку, как для записи, так и для считывания;

· разрешается только считывание;

· разрешается обращение любого вида по адресу взятого только из счетчика команд;

· разрешается обращение по адресу из любого реестра кроме счетчика команд.

Если нарушается защита памяти, использование программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти.

Защита от вторжения программы в чужие области памяти может быть организована различным образом, при этом реализация защиты не должна заметно снижать производительность системы и требовать слишком больших аппаратных затрат.

Виртуа́льная па́мять

Виртуа́льная па́мять - технология, разработанная с целью увеличения общего объема памяти, её защиты и автоматизации процесса перемещения машинного кода и данных между основной памятью компьютера и вторичным хранилищем.

В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных процессорах.

В случае расположения данных на внешних запоминающих устройствах память может быть представлена, например, специальным разделом на жёстком диске (partition) или отдельным файлом на обычном разделе диска.

Также существует термин swap (англ. swap, /swɔp/) также означающий виртуальную память (точнее способ её представления), или же означает подкачку данных с диска.

Применение механизма виртуальной памяти позволяет:

· упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением;

· рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);

· изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).

Управление данными

Управление данными (англ. data management) - процесс, связанный с накоплением, организацией, запоминанием, обновлением, хранением данных и поиском информации.

К управлению да́нными относятся:

§ Анализ данных

§ Моделирование данных

§ Управление базами данных

§ Работа с хранилищами данных

§ Извлечение, преобразование и загрузка данных

§ Добыча данных

§ Обеспечение качества данных

§ Защита данных

§ Управление метаданными (репозиториями данных)

· Архитектура данных

Вопросы представления данных тесно связаны с операциями, при помощи которых эти данные обрабатываются. К числу таких операций относятся: выборка, изменение, включение и исключение данных. В основе всех перечисленных операций лежит операция доступа, которую нельзя рассматривать независимо от способа представления.

В задачах поиска предполагается, что все данные хранятся в памяти с определенной идентификацией и, говоря о доступе, имеют в виду прежде всего доступ к данным (называемым ключами), однозначно идентифицирующим связанные с ними совокупности данных.

Пусть нам необходимо организовать доступ к файлу, содержащему набор одинаковых записей, каждая из которых имеет уникальное значение ключевого поля. Самый простой способ поиска - последовательно просматривать каждую запись в файле до тех пор, пока не будет найдена та, значение ключа которой удовлетворяет критерию поиска. Очевидно, этот способ весьма неэффективен, поскольку записи в файле не упорядочены по значению ключевого поля. Сортировка записей в файле также неприменима, поскольку требует еще больших затрат времени и должна выполняться после каждого добавления записи. Поэтому, поступают следующим образом - ключи вместе с указателями на соответствующие записи в файле копируют в другую структуру, которая позволяет быстро выполнять операции сортировки и поиска. При доступе к данным вначале в этой структуре находят соответствующее значение ключа, а затем по хранящемуся вместе с ним указателю получают запись из фала.

Существуют два класса методов, реализующих доступ к данным по ключу:

· методы поиска по дереву,

· методы хеширования.

Деревом называется конечное множество, состоящее из одного или более элементов, называемых узлами, таких, что:

· между узлами имеет место отношение типа "исходный-порожденный";

· есть только один узел, не имеющий исходного. Он называется корнем;

· все узлы за исключением корня имеют только один исходный; каждый узел может иметь несколько порожденных;

· отношение "исходный-порожденный" действует только в одном направлении, т.е. ни один потомок некоторого узла не может стать для него предком.

Хеширование используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией (от английского "to hash" - резать, измельчать). Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае ключевые данные, используемые для определения адреса записи организуются в виде таблицы, называемой хеш-таблицей.

Если множество ключей заранее неизвестно или очень велико, то от идеи однозначного вычисления адреса записи по её ключу отказываются, а хеш-функцию рассматривают просто как функцию, рассеивающую множество ключей во множество адресов.

Фа́йловая систе́ма

Фа́йловая систе́ма (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла, максимальный возможный размер файла, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система связывает носитель информации, с одной стороны, и API для доступа к файлам - с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа - это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет из себя набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные и сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

Иерархия каталогов

Практически всегда файлы на дисках объединяются в каталоги.

В простейшем случае все файлы на данном диске хранятся в одном каталоге. Такая одноуровневая схема использовалась в CP/M и первых версиях MS-DOS. Иерархическая файловая система со вложенными друг в друга каталогами впервые появилась в UNIX.

Каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев, как в DOS/Windows, или же объединяться в одно дерево, общее для всех дисков, как в UNIX-подобных системах.

На самом деле, в DOS/Windows системах также, как и в UNIX-подобных существует один корневой каталог со вложенными директориями, имеющими названия «c:», «d:» и т. д. В эти каталоги монтируются разделы жёсткого диска. То есть, c:\ - это всего лишь ссылка на file:///c:/. Однако, в отличие от UNIX-подобных файловых систем, в Windows запись в корневой каталог запрещена, как и просмотр его содержимого.

В UNIX существует только один корневой каталог, а все остальные файлы и каталоги вложены в него. Чтобы получить доступ к файлам и каталогам на каком-нибудь диске, необходимо примонтировать этот диск командой mount. Например, чтобы открыть файлы на CD, нужно, говоря простым языком, сказать операционной системе: «возьми файловую систему на этом компакт-диске и покажи её в каталоге /mnt/cdrom». Все файлы и каталоги, находящиеся на CD, появятся в этом каталоге /mnt/cdrom, который называется точкой монтирования (англ. mount point). В большинстве UNIX-подобных систем съёмные диски (дискеты и CD), флеш-накопители и другие внешние устройства хранения данных монтируют в каталог /mnt, /mount или /media. Unix и UNIX-подобные операционные системы также позволяет автоматически монтировать диски при загрузке операционной системы.

Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на следующие категории:

Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates - в BSD системах. Reiser4 не применяет журналирование, все операции в ней атомарны.

Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Для оптических носителей - CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.

Виртуальные файловые системы: AEFS и др.

Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т.н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.

Задачи файловой системы

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

· именование файлов;

· программный интерфейс работы с файлами для приложений;

· отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

· устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя

Графи́ческий интерфе́йс по́льзователя (ГИП), графический пользовательский интерфейс (ГПИ) (англ. Graphical user interface, GUI) - разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы интерфейса (меню, кнопки, значки, списки и тп.), представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.

В отличие от интерфейса командной строки, в ГПИ пользователь имеет произвольный доступ, с помощью устройств ввода (клавиатуры, мыши и тп.), ко всем видимым экранным объектам (элементам интерфейса) и осуществляется непосредственное манипулирование ими. Чаще всего элементы интерфейса в ГПИ реальзованы на основе метафор и отображают их назначение и свойства, что облегчает понимание и освоение программ пользователями.

История

Впервые концепция ГИП была предложена учеными из исследовательской лаборатории Xerox PARC в 1970-х.

В 1973 году в лаборатории Xerox PARC собрали молодых людей, недовольных политикой США (войной во Вьетнаме) и дали свободу исследований. В результате на свет появляется концепция графического интерфейса WIMP (Windows, Icons, Menus, Point-n-Click). В рамках этой концепции создаётся компьютер Alto.

В 1979 году Three Rivers Computer Company выпускает рабочую станцию PERQ, похожую по принципам построения на Alto. В 1981 Xerox выпускает продолжение Alto - Star.

Коммерческое воплощение концепция ГИП получила в продуктах корпорации Apple Computer. В операционной системе AmigaOS ГИП с многозадачностью был использован в 1985 году. В настоящее время ГИП является стандартной составляющей большинства доступных на рынке операционных систем и приложений.

Примеры систем, использующих ГИП: Mac OS, Solaris, GNU/Linux, Microsoft Windows, NeXTSTEP, OS/2, BeOS.

Классификация

Можно выделить следующие виды ГИП:[источник не указан 121 день]

· простой: типовые экранные формы и стандартные элементы интерфейса, обеспечиваемые самой подсистемой ГИП;

· истинно-графический, двумерный: нестандартные элементы интерфейса и оригинальные метафоры, реализованные собственными средствами приложения или сторонней библиотекой;

· трёхмерный: на данный момент слабо классифицирован.

Одним из требований к хорошему графическому интерфейсу программной системы является концепция «делай то, что я имею ввиду» или DWIM (англ. Do What I Mean). DWIM требует, чтобы система работала предсказуемо, чтобы пользователь заранее интуитивно понимал, какое действие выполнит программа после получения его команды.

Утили́та

Утили́та (англ. utility или tool) - компьютерная программа, расширяющая стандартные возможности оборудования и операционных систем, выполняющая узкий круг специфических задач.

Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам, настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают процесс изменения некоторых параметров проще (автоматизируют его).

Утилиты зачастую входят в состав операционных систем или идут в комплекте со специализированным оборудованием.