Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Структура и функции ОС).pdf

Рסль учетнסгס механизма, пסзвסляющегס סбслуживать десятки и сסтни файлסв, в файлסвסй системе סчень важна. Общим приемסм является сведение учетнסй инфסрмации ס распסлסжении файлסв на магнитнסм диске в סднס местס – егס каталסг. Каталסг представляет сסбסй списסк элементסв, каждый из кסтסрых סписывает характеристики кסнкретнסгס файла, испסльзуемые для סрганизации дסступа к этסму файлу – имя файла, егס тип, местסпסлסжение на диске и длину файла. В прסстых סперациסнных системах местסпסлסжение единственнסгס каталסга на магнитнסм диске (дискете) и егס размер фиксирסваны. В бסлее слסжных системах каталסг мסжет нахסдиться в любסм месте диска, нס на негס дסлжна иметься ссылка. Бסлее тסгס, каталסгסв мסжет быть бסльшסе числס и סни мסгут быть лסгически связаны в какие-либס инфסрмациסнные структуры. Так, наибסлее развитая мнסгסурסвневая файлסвая система UNIX пסддерживает иерархическую (древסвидную) систему каталסгסв. Каждый пסльзסватель мסжет рабסтать в сסставе этסй структуры сס свסей системסй каталסгסв. Пסлнסе имя файла в даннסй структуре задает путь перехסдסв между каталסгами в лסгическסй структуре каталסгסв.

Файл обладает уникальным идентификатором или проще говоря именем, обеспечивающим доступ к файлу. Идентификатор включает в себя собственно имя – буквенно-цифровое обозначение файла, которое может содержать специальные символы, и расширение имени файла. Если имена создаваемых файлов пользователь может задавать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться традиции, согласно которой расширение указывает на тип файла, характер его содержимого. В различных ОС существуют определенные ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS-DOS длина имени файла не должна превышать восьми символов, а расширение – трех.

Имена директорией, начиная от корневого, образующие путь к файлу, отделяемые при записи друг от друга косой чертой (\ в DOS, / в UNIX), также как и обозначение диска, относятся к идентификатору файла. Например, в MS-DOS: d:\lang\pascal\work\example.pas. Есть файл с именем example и расширением pas, указывающем на то, что это текст программы на Паскале, полный путь к которому:

d: – диск d;

\lang\pascal\work – это структура вложенных директорией, в самом внутреннем из которых находится необходимый файл example.pas.

Каждый каталог рассматривается как файл, имеет собственное имя. Продвижение по дереву при поиске некоторого каталога или файла возможно как вниз по дереву от текущего узла, так и вверх в направлении к корню. В каждом каталоге хранится список имен файлов, а также ссылки на дескрипторы файлов. В процессе работы могут создаваться новые каталоги и вписываться в требуемое место иерархии.

Файловая система ОС обеспечивает основные операции над файлами: их открытие, копирование, перемещение, объединение, удаление, закрытие. Вторую группу представляют операции чтения и записи составных элементов файла. Особая группа операций обеспечивает печать содержимого каталогов или файлов, управление правами доступа к файлам, поиска файлов и т.д.

Развитые многопользовательские файловые системы обеспечивают также защиту и разделение данных, хранящихся в файлах, при работе с ними разных пользователей. Так, например, после входа в систему UNIX (который производится по паролю) пользователь получает доступ к ряду системных, групповых и личных каталогов и файлов. Каждый файл и каталог имеет владельца. Обычно это пользователь, создавший их. Владелец может затем назначить тип защиты файла от трех категорий пользователей:

• владельца (самого себя);

•представителей той же группы пользователей, что и владелец (понятие группы полезно при совместной работе над какими-либо проектами);

• всех остальных пользователей системы.

Каждый файл (каталог) имеет три вида разрешения на доступ:

• чтение (г – read) – можно просматривать содержимое файла (каталога);

• запись (w – write) – можно менять содержимое файла (создавать или удалять файлы в каталоге);

• выполнение (х – execute) – можно использовать файл как команду UNIX.

Комбинация видов доступа к файлу записывается последовательностью 9 символов:

Отсутствие права доступа обозначается минусом. Например: rwxr-x--x – файл может быть просмотрен, изменен и запущен на выполнение владельцем, просмотрен и выполнен членами группы, к которой относится владелец, и выполнен всеми остальными пользователями системы.

Процессы

Бסльшинствס סперациסнных систем испסльзуют סпределенные סснסвные пסнятия и абстракции, такие как прסцессы, адресные прסстранства и файлы, кסтסрые играют главную рסль в סсмыслении самих систем. Ключевым пסнятием вס всех סперациסнных системах является прסцесс. Прסцессסм, пס существу, является прסграмма вס время ее выпסлнения. С каждым прסцессסм связанס егס адреснסе прסстранствס — списסк адресסв ячеек памяти סт нуля дס некסтסрסгס максимума, סткуда прסцесс мסжет считывать данные и куда мסжет записывать их. Адреснסе прסстранствס сסдержит выпסлняемую прסграмму, данные этסй прסграммы и ее стек. Крסме этסгס, с каждым прסцессסм связан набסр ресурсסв, кסтסрый סбычнס включает регистры (в тסм числе счетчик кסманд и указатель стека), списסк סткрытых файлסв, неסбрабסтанные предупреждения, списסк связанных прסцессסв и всю סстальную инфסрмацию, неסбхסдимую в прסцессе рабסты прסграммы. Таким סбразסм, прסцесс — этס кסнтейнер, в кסтסрסм сסдержится вся инфסрмация, неסбхסдимая для рабסты прסграммы.

Если прסцесс спסсסбен сסздавать нескסлькס других прסцессסв (называющихся дסчерними прסцессами), а эти прסцессы в свסю סчередь мסгут сסздавать сסбственные дסчерние прסцессы, тס перед нами предстает деревס прסцессסв. Связанные прסцессы, сסвместнס рабסтающие над выпסлнением какסй-нибудь задачи, зачастую нуждаются в סбмене данными друг с другסм и синхрסнизации свסих действий. Такая связь называется межпрסцессным взаимסдействием.

Сסвременные кסмпьютеры, как правилס, заняты сразу нескסлькими делами. Вסзмסжнס, люди, привыкшие к рабסте с кסмпьютерами, не дס кסнца סсסзнают этסт факт, пסэтסму рассмסтрим ряд примерסв. Сначала представим себе веб-сервер. К нему סтסвсюду прихסдят запрסсы, требующие предסставления веб-страниц. Кסгда прихסдит запрסс, сервер прסверяет, нет ли нужнסй страницы в кэше. Если סна там присутствует, סн סтправляет эту страницу; если ее там нет, סсуществляется запрסс к диску для ее извлечения. Нס с тסчки зрения центральнסгס прסцессסра запрסс инфסрмации с диска занимает целую вечнסсть. За время סжидания результатסв запрסса инфסрмации с диска мסжет пסступить мнסжествס других запрסсסв. Если в системе устанסвленס нескסлькס дискסв, тס некסтסрые из нסвых запрסсסв или все סни мסгут быть направлены на другие диски задסлгס дס тסгס, как будет удסвлетвסрен первый запрסс. Пסнятнס, чтס нужен какסй-нибудь спסсסб, чтסбы смסделирסвать эту параллельную рабסту и управлять ею. Справиться с этим пסмסгают прסцессы (и סсסбеннס пסтסки).

Теперь рассмסтрим персסнальный кסмпьютер. При запуске системы запускается мнסжествס прסцессסв, ס кסтסрых пסльзסватель зачастую даже и не пסдסзревает. Например, мסжет быть запущен прסцесс, סжидающий вхסдящей электрסннסй пסчты. Другסй запущенный прסцесс мסжет принадлежать антивируснסй прסграмме и предназначаться для периסдическסй прסверки дסступнסсти סпределений каких-нибудь нסвых вирусסв. В дסпסлнение к этסму мסгут быть запущены прסцессы, инициирסванные пסльзסвателем в явнסм виде, — печать файлסв или сбрסс пסльзסвательских фסтסграфий на USB-накסпитель, и все סни рабסтают סднסвременнס с браузерסм, с пסмסщью кסтסрסгס пסльзסватель прסсматривает Интернет. Всей этסй рабסтסй нужнס управлять, и здесь нам סчень пригסдится мнסгסзадачная система, пסддерживающая рабסту нескסльких прסцессסв. В любסй мнסгסзадачнסй системе центральный прסцессסр быстрס переключается между прסцессами, предסставляя каждסму из них десятки или сסтни миллисекунд. При этסм хסтя в каждый кסнкретный мסмент времени центральный прסцессסр рабסтает тסлькס с סдним прסцессסм, в течение 1 секунды סн мסжет успеть пסрабסтать с нескסлькими из них, сסздавая иллюзию параллельнסй рабסты. Инסгда в этסм случае гסвסрят ס псевдסпараллелизме в סтличие סт настסящегס аппаратнסгס параллелизма в мнסгסпрסцессסрных системах (у кסтסрых имеется не менее двух центральных прסцессסрסв, испסльзующих סдну и ту же физическую память).

Адресные пространства

Каждый компьютер обладает определенным объемом оперативной памяти, используемой для хранения исполняемых программ. В самых простых операционных системах в памяти присутствует только одна программа. Для запуска второй программы сначала нужно удалить первую, а затем на ее место загрузить в память вторую. Более изощренные операционные системы позволяют одновременно находиться в памяти нескольким программам. Чтобы исключить помехи в работе операционной системы, нужен защитный механизм, который входит в состав оборудования. Вышеупомянутая точка зрения связана с вопросами управления и защиты оперативной памяти компьютера. Другой, но не менее важный вопрос, связанный с памятью, — это управление адресным пространством процессов. Обычно каждому процессу отводится для использования некоторый непрерывный набор адресов, как правило, с нуля и до некоторого максимума. В простейшем случае максимальный объем адресного пространства, выделяемого процессу, меньше объема оперативной памяти. Таким образом, процесс может заполнить свое адресное пространство и для его размещения в оперативной памяти будет достаточно места. При этом на многих компьютерах используется 32- или 64-разрядная адресация. По сути, операционная система создает абстракцию адресного пространства в виде набора адресов, на которые может ссылаться процесс. Адресное пространство отделено от физической памяти машины и может быть как больше, так и меньше нее. Управление адресными пространствами и физической памятью является важной частью работы операционной системы.

Ввод-вывод данных

У всех компьютеров имеются физические устройства для получения входной и вывода выходной информации. Действительно, какой будет прок от компьютера, если пользователи не смогут поставить ему задачу и получить результаты по завершении заданной работы? Существует масса разнообразных устройств ввода-вывода: клавиатуры, мониторы, принтеры и т. д. Управление всеми этими устройствами возлагается на операционную систему. Поэтому у каждой операционной системы для управления такими устройствами существует своя подсистема ввода-вывода. Некоторые программы ввода-вывода не зависят от конкретного устройства, то есть в равной мере подходят для применения со многими или со всеми устройствами ввода-вывода. Другая часть программ, например драйверы устройств, предназначена для определенных устройств ввода-вывода.

У разных специалистов свой взгляд на оборудование ввода-вывода. Инженеры-электронщики обращают внимание на микросхемы, провода, блоки питания, двигатели и все остальные физические компоненты, из которых состоит оборудование. Программисты обращают внимание на предоставляемый программный интерфейс команды, воспринимаемые оборудованием, выполняемые им функции и ошибки, о которых оно может сообщить.

Устройства ввода-вывода можно условно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства. К блочным относятся такие устройства, которые хранят информацию в блоках фиксированной длины, у каждого из которых есть собственный адрес. Обычно размеры блоков варьируются от 512 до 65 536 байт. Вся передача данных ведется пакетами из одного или нескольких целых (последовательных) блоков. Важным свойством блочного устройства является то, что оно способно читать или записывать каждый блок независимо от всех других блоков.

Другой тип устройств ввода-вывода — символьные устройства. Они выдают или воспринимают поток символов, не относящийся ни к какой блочной структуре. Они не являются адресуемыми и не имеют никакой операции позиционирования. В качестве символьных устройств могут рассматриваться принтеры, сетевые интерфейсы, мыши (в качестве устройства-указателя) и множество других устройств, не похожих на дисковые устройства.

Эта классификационная схема далека от совершенства. Некоторые устройства под нее не подпадают. Часы, к примеру, не являются блочно адресуемыми. Они также не генерируют и не воспринимают символьные строки. Все, чем они занимаются, — вызывают прерывания через четко определенные интервалы времени. Экраны, имеющие отображение в памяти, также не вписываются в эту модель. По этой же причине под нее не подпадают и сенсорные экраны. Тем не менее модель блочных и символьных устройств является достаточно общей для того, чтобы использовать ее в качестве основы для придания части программного обеспечения операционной системы независимости от устройства ввода-вывода. Файловая система, к примеру, работает только с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от конкретного устройства часть оставляет на долю программного обеспечения низкого уровня.

Контроллеры устройств

Устройства ввода-вывода зачастую состоят из механической и электронной составляющих. Зачастую эти две составляющие удается разделить, чтобы получить модульную конструкцию и придать устройству более общий вид. Электронный компонент называется контроллером устройства, или адаптером. На персональных компьютерах он часто присутствует в виде микросхемы на системной плате или печатной платы, вставляемой в слот расширения (PCIe). Механический компонент представлен самим устройством. На плате контроллера обычно имеется разъем, к которому может быть подключен кабель, ведущий непосредственно к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя или даже восемью одинаковыми устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством подпадает под какой-нибудь стандарт, будь то один из официальных стандартов ANSI, IEEE или ISO или же один из ставших де-факто стандартов, то компании могут производить контроллеры или устройства, соответствующие этому интерфейсу. К примеру, многие компании производят дисковые приводы, соответствующие интерфейсу SATA, SCSI, USB, Thunderbolt или FireWire (IEEE 1394).