Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Компоненты ОС).pdf

Реализация разделения полномочий в операционных системах была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенным при запуске программы на исполнение).

1.4. Масштаб реального времени

Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «масштаба реального времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.

Включение функции масштаба реального времени позволило создавать решения, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени).

1.5. Файловые системы и структуры

Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных дисках).

Файловая система — способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

2. Функции

2.1. Основные функции

-Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, ведение и освобождение дополнительной памяти и др.)

Компьютерная программа — последовательность инструкций, определяющих процедуру решения конкретной задачи компьютером (вычислительной машиной). Программы необходимы для работы компьютера, обычно состоящей в исполнении инструкций программы в центральном процессоре. Программа — один из компонентов программного обеспечения. В зависимости от контекста рассматриваемый термин может относиться также и к исходным текстам программы. Компьютерные программы как объект авторского права и других прав интеллектуальной собственности относится к категории нематериальных активов.

Ввод и вывод в информатике — взаимодействие между обработчиком информации (например, компьютер) и внешним миром, который может представлять, как человек, так и любая другая система обработки информации. Ввод — сигнал или данные, полученные системой, а вывод — сигнал или данные, посланные ею (или из неё). Термин также может использоваться как обозначение (или дополнение к обозначению) определенного действия: «выполнять ввод-вывод» означает выполнение операций ввода или вывода. Устройства ввода-вывода используются человеком (или другой системой) для взаимодействия с компьютером. Например, клавиатуры и мыши — специально разработанные компьютерные устройства ввода, а мониторы и принтеры — компьютерные устройства вывода. Устройства для взаимодействия между компьютерами, как модемы и сетевые карты, обычно служат устройствами ввода и вывода одновременно

-Загрузка программ в оперативную память и их выполнение

До момента, когда пользователь компьютера явно или неявно выдаст запрос на выполнение компьютерной программы, она обычно хранится в энергонезависимой памяти. При получении такого запроса программа посредством другой компьютерной программы, называющейся операционной системой, загружается в память с произвольным доступом (оперативную), откуда её непосредственно может выполнять центральный процессор. После этого центральный процессор выполняет программу, инструкция за инструкцией, до её завершения. Выполняющаяся программа называется процессом. Завершение программы происходит либо по достижению её последней инструкции (обычно передающей управление операционной системе) либо по ошибке, программной или аппаратной.

-Стандартизированный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода)

Одной из главных задач ОС является обеспечения обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современных ОС эту функцию выполняет подсистема ввода/вывода.

Основные компоненты подсистемы:

1. Драйвер – компьютерное программное обеспечение, с помощью которого другое программное обеспечение(ОС) получает доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства.

2. Файловая система - порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п. Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов и (каталогов), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например разграничение доступа или шифрование файлов.

3. Диспетчер прерываний - Одним из важных аспектов, связанных с эксплуатацией различных устройств в ОС, является своевременная и оперативная обработка аппаратных прерываний. Учитывая широкий спектр разработчиков устройств, практически не возможно выработать унифицированный механизм поведения ОС при получении того или иного аппаратного прерывания (в дальнейшем IRQ).

Таким образом, говоря об уникальности устройства, так же приходится говорить и об уникальности кода его обработки, следствием из всего этого является понятия драйвера устройства, инкапсулирующего в себе обслуживание аппаратных ресурсов устройства, например, таких как прерывание или циклы шины ПДП. Являясь в терминах ядра ОС закрытым модулем с ограниченным числом входов и выходов, драйвер, как правило, подчиняется ядру в выборе политики планирования прерывания.

Вторым по важности кандидатом в плане обслуживания устройств выступает платформа, к которой физически подключаются аппаратура устройств, расширяющих функциональность платформы. В частности платформа 0x86 нормирует количество линий IRQ, ограничивая их количество 16. Являясь "кабальным" условием для работы, подключаемой к платформе 0x86 аппаратуры, оно предоставляет только единственный выход из подобного положения параллельного подключения устройств на канал IRQ. Сгруппированные на один физический канал IRQ устройства пользуются им последовательно, обозначив признак принадлежности прерывания физическому устройству через запись в адресное пространство портов В/В или памяти метки идентификатора. Естественно, что точный адрес местоположения и содержимое идентификационной метки известно только драйверу, управляющему работой устройства. Недопущение группировки на один физический канал, так же возможно при работе с устройствами монопольно использующими каналы IRQ

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

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

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

Одной из основных задач ОС является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящихся на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящих данных некоторой удобной для пользователя логической моделью, которая реализуется в виде дерева каталогов, выводимого на экран такими утилитами как Norton Commander, Far Manager или Windows Explorer. Базовым элементом этой модели является файл, который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой.

Задачи, решаемые Файловой системой, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип – это файловая система в однопользовательских и однопрограммных ОС. Основные функции такой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

-Именование файлов

-Программный интерфейс

-Отображение логической модели файловой системы

-Устойчивость файловой системы к сбоям питания и ошибкам

Задачи файловой системы усложняются в однопользовательских многозадачных ОС, которые предназначены для работы одного пользователя, но дают возможность запускать одновременно несколько процессов. К перечисленным выше задачам добавляется новая – совместный доступ к файлу из нескольких процессов.

Файл в этом случае является разделительным ресурсом, а значит файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности: должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, согласование копий, предотвращение гонок, исключение тупиков. В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

Еще более сложным становится функции файловой системы, которая работает в составе сетевой ОС.

-Обеспечение пользовательского интерфейса

-Сохранение информации об ошибках системы

2.2. Дополнительные функции

-Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

Свойство операционной системы или среды выполнения обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределённых вычислительных системах.

Существует два типа многозадачности:

1. Процессная многозадачность (основанная на процессах — одновременно выполняющихся программах). Здесь программа — наименьший элемент управляемого кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки).

2. Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода — поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно)

-Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами

-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 от действия пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений

-Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа

2.3. Компоненты ОС

-Загрузчик

Системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера (процедуры POST или самотестирование после включения) и начальной загрузки.

Загрузчик операционной системы:

1. Обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки);

2. Приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);

3. Загружает ядро операционной системы (Ntoskrnl.exe в случае MS Windows) в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);

4. формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);

5. Предает управление ядру системы.

На компьютерах архитектуры IBM PC запуск загрузчика осуществляется программным обеспечением BIOS, записанной в ПЗУ компьютера, после успешного окончания процедуры POST