Файл: Функции операционных систем пресональных компьютеров.pdf

Ядро операционной системы является ее основой, выполняет главную часть процедур. Во время работы операционной системы ее ядро содержится в пространстве оперативной памяти. Ядро операционной системы содержит несколько уровней или функциональных подсистем, выполняющих решение различных задач, рисунок 3.

Рисунок 3 – Подсистемы ядра операционной системы

Раскроем содеражание каждого элемента изображенног оан рисунке 3.

Файловая система – организует метод хранения данных на запоминающих устройствах;

Система управления памятью – отвечат за процедуры взаимодействия с памятью компьютера при выполнении операций с данными;

Система управления программами – организует управление процедурами запуска и исполнения пользовательских программ;

Система обработки ошибок;

Подсистема связи с драйверами устройств – организует выполнение процедур взимодействия операционной системы с подключамыми устройствами;

Служба времени – исполняет синхронизацию работы программ относительно системного времени.

При подключении новых устройств в систему требуется добавить драйвер, обслуживающий это устройство, таким образом выражается принцип гибкости операционной системы.

Драйверами называются специализированные программы, предназначеннные для организации взаимосвязи операционной системы и конкретного утсройства, они интрепритируют управляющие воздействия ОС в команды на машинном уровне. Таким образом программы-драйверы осуществляют дополнение системы ввода-вывода ОС, позволяют пользовательским программам выполнять свои задачи вне зависимости от применяемых в системе устройств и их стандартов. Как правило, программы-драйверы устройств загружаются в оперативную память одновременно с загрузкой операционной системы.

Командным процессором операционной системы является специализированная программа исполняющая поступающие в различной форме команды. Далее расмотрим функции командного процессора более подробно:

- выполнение команд, поступающих от самой операционной системы (внутрение команды);

- исполнение команд, поступающих от устройств ввода (пользователя операционной системы), например, прием и синтаксический разбор команд, поступивших от клавиатуры;

- выполнение содержимого командных файлов. Данная функция реализуется в тех случаях, когда командному процессору вместо команды поступает ссылка на командный файл, представляющий собой набор текстовых команд с расширением BAT. В этом случае командный процессор последовательно считывает и проводит интерпретацию находящихся там команд построчно. Помимо прямых команд, на строчках командного файла могут располагаться и ссылки на запуск каких-либо программ, в таком случае исполнение приостанавливается и выполняется запуск указанной программы. Далее по ее завершению командный процессов переходит к дальнейшему исполнению командного файла.

---

- выполнние внешних команд, поступающих от пользовательских программ. Как правило данные программы представлены файлами с расширением СОМ или ЕХЕ.

3. Функции операционных систем

Основные функции операционных систем персонльных компьютеров представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Функции операционных систем персональных компьютеров

Теперь рассмотрим каждую из представленных на рисунке 4 функций подробнее.

- Обеспечение автоматического запуска. Каждая операционая система персональных компьютеров содержит систему автоматического запуска. Программное обеспечение подобных систем зранятся в постояных запоминающих утройствах на материнской плате, их выполнение начинается аппаратным методом. После включения и поступления электропитания вычислительный процессор вызывает запуск данной программы обращаясь по адресу хранящейся в ПЗУ системы. Этого и начинается процедура самоинициализации операционной системы.

- Обеспечение интерфейса пользователя. В зависимости от способа реализации пользовательского интрфейса операционные системы разделяются на графические и консольные. Консольные ОС, как понятно по их названию, организуют процесс взаимодействия посредством командной строки, основным утройством ввода для пользователя при этом является клавиатура. Все команды управления вводятся и редактируются пользователем в поле ввода командной строки. Исполнение команд начинается после нажатия клавиши «ENTER». Примером консольной реализации операционных систем является семейство ОС MS-DOS.

Более сложной разновидностью интерфейса обладают графические операционные системы. В графических ОС пользователь может отдавать команды управления как при помощи клавиатуры, так и при помощи маннипуляторов позиционирования графического курсора.

Процесс взаимодействия пользователя с графической операционной систмой строится на взаимодействие активных и пассивных элементов управления. Графический курсор на мониторе компьютера исполняет роль активного графического элемента управления. В число пассивных элементов управления входят различные графические элеметы управления, отображаемые на экране монитора: кнопки, флажки, списки, ползунки, меню, переключатели и т.д.

Пользователь в процессе работы самостоятельно определяет последовательность и характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления.

---

- Организация файловой системы. Любая современная операционная система поддерживает функцию создания файловой системы дисков, для организации хранения данных на них и доступа к ним.

В основе структуры каждой файловой системы находится табличный принцип. Как известно данные на жестких дисках храняться путем кодирования двоичных данных на его поверхности. При организации файлововй системы вся структура поверхностей жесткого диска подразумевается в виде трехмерной матрицы, осями которой служат идентификаторы поверхностей, цилиндров и секторов.

Цилиндрами дискового пространства называются совокупности всех секторов памяти расположенных в различных поверхностях, но при этом равноудаленных от вращающего привода жеткого диска.

Каждый элемент данных хранимых на жестком диске находится по информации содержащейся в FAT-таблицах размещения файлов. Данные таблицы размещены в системной области и содержат «координаты» размещения каждого файла в трехмерном пространстве диска. В случае, когда по каким-либо причинам происходит нарушение FAT-таблицы операционная система полностью теряет возможность получения доступа к данным записанным на диске. Исходя из вероятнсти такого произшествия, FAT-таблицы обладают повышенным уровнем надежности, а также дублируются. Соответствие дубликатов таблиц друг другу периодически проверяется службами операционной системы.

Давайте несколько подробнее рассмотим способы организации файловых систем для некоторых общеизвестных операционных систем.

Как уже упоминалось, мнимальным отдельным элементом адресации пространсва жесткого диска является сектор, его объем хранимых данных составляет 512 байт. По причине того, что объем записи FAT-таблицы является конечным, то возникает сложность адресации к каждому отдельному сектору пространства памяти, при работе с дисками объемом более 32 Мб. В таких ситуациях наборы распологаемых секторов условно объединяються в кластеры, и их количество зависит от общего объема жесткого диска.

В таких общеизвестных операционных системах, как MS-DOS, Win95 b WinNT используются 16 разрядные строки в FAT-таблицах, в следствии чего их файловая система носит название FAT16. Предел содержащихся записей таблицы ограничивается 65536 записями. Размер каластера пространства памяти жесткого диска объемом до 2 Гб при организации файловой системы FAT16 составляет 32Кб. При дальнейшей потребности увеличения объемов дискового пространства, в следствии роста объемов, хранимых данных и размеров каждого отдельного файла, кластерная запись получает существенный недостаток. Как упоминалось выше, система не может ссылаться на каждый отдельный сектор памяти, а ссылается на кластер секторов объем которого увеличивается с емкостью жесткого диска, при этом записанный в кластере файл может не занимать полностью все его пространство. Появляется «пробелы» в записи секторов - нерациональное использование пространства памяти, достигающее в среднем 20 % всего объема, а в отдельных случаях доходящее и до 40%.

---

В виду этого, c ростом емкости жестких дисков стали разрабатываться и применяться более совершенные файловые системы FAT32 и exFAT, содержащие большее количество возможных записей в таблицах файловой адресации, от чего размер каждого отдельного кластера памяти для них становится значительно меньше и процент незадействованной памяти снижается.

- Обслуживание файловой системы. Данная функция операционных систем предполагает целый перечень операций по представлению иерархической структуры хранимых данных для пользователя. Как уже говорилось выше, метоположение данных на диске храниться в табличном виде, пользователь же получает эту информацию в качестве иерархичной структуры благодаря следующим процедурам ОС:

- представление хранимых данных в виде файлов с присвоением имен;

- организация каталогов файлов и присвоение им имен;

- возможность переименования файлов и каталогов;

- возможность перемещения файлов и каталогов, а также их дублировнаия путем копирования;

- возможность удаление файлов и каталогов и их дубликатов;

- организация навигации по файловой структуре для поиска и получения доступа к необходимому файлу или каталогу;

- наделение файлов атрибутами и предоставление пользователю возможности управления ими.

- Обеспечение взаимодействия с аппаратным обеспечением компьютера. На сегодняшний день существует огромное количество разновиднойстей апрратного обуспечения и периферийных устройств персональных компьютеров, поэтому ни один разработчик не в состоянии заранее предусмотреть все вероятные проблемы взаимодействия программы с каждым возможным подключаймым устройством. Данная проблема давно нашла свое решение вблагодаря так называемого принципа гибкости операционных систем в работе с подключаемыми устройствами. Данный принцип достигается благодарая применению программ управления работой оборудования – дрйверов. Драйверы взаимодействую с прикладными программами при их выполнении, а операционная система служит в качетве диспетчера обращений программ к драйверам устройств.

В консольных операционных системах первых поколений существовало два основных способа загрузки драйверов устройств: ручная и автоматическая. Ручная загрузка драйвера предполагала прямое указание пользователем в командной строке команд на загрузку того или иного драйвера. Под автоматической загрузкой драйверов устройств понималась запись специальных команд загрузки и настройки драйверов в файлы, считываемые при загрузке персонального компьютера. Для операционной системы MS-DOS такими файлами служили: autoexec. bat и config. sys. В них содержались команды на выпонение загрузки драйверов различных периферийных устройств ввода-вывода и прочих устройств.

---

В операционных системах последнего времени функции по загрузке драйверов устройств полностью переложены на них. При это зачастую исполнение поиска и загрузки драйвера устройства даже не требуется производить, так как современные опреационные системы обладают большими наборами универсальных драйверов.

В процессе работы любой подключаемой к компьютеру устройство задействует до трех осноых ресурсов материнской платы:

- адресация к внешним портам процессора;

- исполнение прерываний процессором:

- каналы прямого доступа к памяти.

В тех случаях, когда подключение к материнской плате производится при помощи интерфейса PCI, появляется возможность организации обратной связи между подключамым устройством и материнской платой. Поэтому интерфейс подключения PCI выполняет анализ требований подключенного утсройства и достаточно гибко выполняет выделение нужных ресурсов. Данный способ динамического распределения ресурсов компьютера операционной системой носит название plug-and-play. Устройства, подключаемые к компьютеру на базе данного принципа, являются самоустанавливающимися и не требуют дополнительной установки для них драйверов с диска и т.д.

- Обслуживание компьютера. Предоставление операционной системой основных средств обслуживания компьютера обычно реализуется за счет включения в ее базовый состав служебных приложений.

Средства проверки дисков. Надежность работы дисков определяет надежность работы компьютера и безопасность хранения данных. Средства проверки дисков реализуются в двух категориях: средства логической проверки - проверки целостности файловой структуры; средства физической диагностики поверхности. Логические ошибки, как правило, устраняются средствами операционной системы, а физические дефекты поверхности только локализуются, операционная система принимает во внимание факт повреждения магнитного слоя в определенных секторах и исключает их из работы.

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).

Средства управления виртуальной памятью. Ранние операционные системы ограничивали возможность использования приложений по объему необходимой для их работы оперативной памяти. Например, без специальных драйверов (менеджеров оперативной памяти) операционная система MS-DOS ограничивала предельный размер исполняемых программ до 640 Кб. Современные операционные системы не только обеспечивают непосредственный доступ ко всему полю оперативной памяти, установленной в компьютере, но и позволяют ее расширить за счет создания виртуальной памяти на жестком диске.

---