Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров (Обслуживание файловой структуры).pdf

Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п.

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 ВIOS (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. 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.

Обеспечение интерфейса пользователя

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 (которые, в свою очередь, также основаны на использовании прерываний процессора) 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.

Виды интерфейсов пользователя.

По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы.

Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после ее утверждения, например, нажатием клавиши ENTER. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивается семейством операционных систем под общим названием MS-DOS (версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.2).

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 (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие). Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

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. Не дисковые 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.

Организация файловой системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Жесткий может состоять из одного или нескольких физических дисков. В последнем случае диски собраны в единую конструкцию и вращаются синхронно. Каждый диск имеет две стороны с ферромагнитным слоем, данные считываются двумя различными головками (расположенными сверху и снизу). Принцип организации файловой системы табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица. Местоположение файла на диске определяется номером рабочей поверхности, номером цилиндра и номером сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

Данные о местоположении файла хранятся в системной области диска, в специальной таблице размещения файлов, которая называется FAT-таблицей (File Allocation Table). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности найти данные на диске, к ней предъявляются особые требования по надежности. FAT-таблица существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется операционной системой.

В файлах могут храниться тексты программ, документы, готовые к выполнению программы и любые другие данные. Файлы разделяются на две категории - текстовые и двоичные. Текстовые файлы предназначены для чтения человеком. Они состоят из строк символов. Каждая строка оканчивается двумя специальными символами «возврат каретки» и «новая строка». Все файлы, отличные от текстовых, называются двоичными.

Исполняемым файлом называется файл, содержащий готовую к исполнению программу.

Чтобы операционная система и другие программы могли обращаться к файлам, они должны иметь имена. В операционной системе Windows обозначение файла состоит из имени и расширения. Расширение имени является необязательным. Как правило, оно описывает содержимое файла. Расширение отделяется от имени файла точкой, например: command.com, setup.exe.

Разрешается присваивать файлам имена длиной до 256 символов. Имя может содержать любые символы, в том числе и пробел, кроме символов \, /, *, ?, ", < , > , |.

В имени можно использовать несколько точек. Расширением считаются символы, идущие после последней точки. В именах различаются прописные и строчные символы.

Примеры:

com – исполняемые файлы;
bat – командные файлы;
pas – программа на Паскале;
c – программа на СИ.

Кириллицу в именах файлов нужно применять осторожно, так как некоторые операционные системы не понимают имен с ней.

Каталоги

Имена файлов регистрируются на дисках в каталогах. Каталог – это специальная таблица на диске, в которой хранятся имена файлов, сведения о размере файла, времени его последнего обновления, атрибуты (свойства) файла и т.д. Если в каталоге хранится имя файла, то говорят, что файл находится в данном каталоге. На каждом диске может быть несколько каталогов. В каждом каталоге может быть много файлов, но каждый файл всегда регистрируется только в одном каталоге. В Windows каталоги называются папками.

Каждый каталог имеет имя, и он может быть зарегистрирован в другом каталоге. Если каталог зарегистрирован в другом каталоге, то говорят, что X – подкаталог Y. Требования к именам каталогов те же, что и к именам файлов, однако расширение обычно не используется.

Все каталоги образуют вложенную иерархическую структуру. На каждом диске имеется один главный каталог, который называется корневым. В нём регистрируются файлы и каталоги 1-го уровня. В каталогах 1-го уровня регистрируются файлы и каталоги 2-го уровня и т.д.

Каталог, с которым в настоящее время работает пользователь, называется текущим каталогом. Когда используется файл не из текущего каталога, необходимо указать, в каком каталоге он находится. Это можно сделать с помощью указания пути к файлу. Путь – это последовательность имен каталогов, разделенных символом «\». Этот путь задает маршрут от корневого каталога диска к тому каталогу, в котором находится нужный файл. Например: C:\Program Files\Windows NT\Accessories\wordpad.exe.

В компьютере обычно имеется несколько устройств памяти: накопители на жестких дисках, на компакт-дисках и т.п. На каждом из них могут находиться файлы и каталоги. Для того чтобы указать, какой диск необходим, надо обратиться к дисководу по имени. Дисководы имеют имена A, B, и т.д. Имена A и B зарезервированы для дисководов гибких дисков, а имя C соответствует жесткому диску, с которого загружается операционная система.

Текущий дисковод – это дисковод, с которым работает пользователь в настоящее время. Полное имя файла начинается с имени дисковода, на котором он находится.

Атрибуты файлов

Кроме имени и расширения файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания или изменения и несколько дополнительных параметров, определяющих свойства файлов, которые называются атрибутами файла. Операционная система может их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении операций с файлами.

В операционной системе Windows файл может иметь следующие атрибуты:

только для чтения (Read Only);
скрытый (Hidden);
системный (System);
архивный.

Атрибут «только для чтения» ограничивает возможность работы с файлом. Его установка означает, что в файл нельзя вносить изменения.

Атрибут «скрытый» сигнализирует о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного повреждения файла.

Атрибутом «системный» помечаются файлы, обладающие важными функциями в работе самой операционной системы. Этот атрибут нельзя изменить средствами операционной системы. Как правило, системные файлы имеют также атрибут «скрытый».

Атрибут «архивный» остался от старых операционных систем и операционной системой не учитывается.

Обслуживание файловой системы

К функциям обслуживания файловой системы относятся следующие операции, выполняемые под управлением операционной системы:

создание файлов и присвоение им имен;
создание каталогов и присвоение им имен;
переименование файлов и каталогов;
копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами одного диска;
удаление файлов и каталогов;
навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу или каталогу;
управление атрибутами файла.

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.

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. Даже когда мы создаем файл, работая в какой-то прикладной программе, в общем случае для этой операции привлекаются средства операционной системы. По способам именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. До появления операционной системы Windows 95 общепринятым способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3. Согласно этому соглашению, 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. Так, например, в большинстве случаев система «не возражает» против использования некоторых специальных символов (восклицательный знак, символ подчеркивания, дефис, тильда и т. п.), также допускается 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. Далеко не всегда удается выразить несколькими символами характеристику файла, поэтому с появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. «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 и Windows 98 создают также и короткое имя файла, оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами. Особенности Windows 95 и Windows 98. Использование «длинных» имен файлов в операционных системах Windows 95 и Windows 98 имеет ряд особенностей. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания. В корневой папке диска (на верхнем уровне иерархической файловой структуры) 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. 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. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского, но если документ готовится для передачи, с заказчиком (потребителем документа) необходимо согласовать возможность воспроизведения файлов с такими именами на его оборудовании. Прописные и строчные буквы не различаются операционной системой. Для нее имена Письмо.М и письмо.М соответствуют одному и тому же файлу. Однако символы разных регистров исправно отображаются операционной системой, и, если для наглядности надо использовать прописные буквы, это можно делать. Программисты давно научились использовать расширение имени файла для передачи операционной системе, исполняющей программе или пользователю информации о том, к какому типу относятся данные, содержащиеся в файле, и о формате, в котором они записаны. В ранних операционных системах этот факт использовался мало. По существу, операционные системы MS-DOS анализировали только расширения .ВАТ (пакетные файлы с командами MS-DOS), .EXE, .COM (исполнимые файлы программ) и .SYS (системные файлы конфигурации). В современных операционных системах любое расширение имени файла может нести информацию для операционной системы. Системы Windows 95/98 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. 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. Все современные операционные системы позволяют создавать каталоги. Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу, хотя негласно для каталогов не принято задавать расширения имен. 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 «\» (обратная косая черта. Особенности Windows 95 и Windows 98. 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. Так, например, в операционной системе Windows существуют специальные папки, представляющие собой удобные логические структуры, которым не соответствует ни один каталог диска.