Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров.pdf
Добавлен: 22.04.2023
Просмотров: 76
Скачиваний: 2
Без системы управления файлами, цифровая информация на компьютере является просто бессмысленным набором данных. Хаосом, в котором ничего невозможно найти. А тем более найти за кратчайшие доли секунды.
Операционная система невидимо для нас следует своим правилам, поэтому вам и не приходится вручную обращаться к тем ячейкам памяти, где физически хранится нужный вам файл. Но, самое важное, пользователю современной операционной системы совсем не обязательно знать эти правила для того, чтобы работать за компьютером.
Эффективное распределение доступной оперативной памяти.
Раз уж речь зашла о памяти, то имеет смысл вспомнить о памяти оперативной (ОЗУ, RAM). О том самом хранилище, которое всегда находится «под рукой» у процессора.
Необходимо подчеркнуть, что управление этим важнейшим ресурсом компьютера тоже осуществляет операционная система. Оперативная память — сильно недооцененный многими пользователями ресурс. Как заставить ваш компьютер работать быстрее? Многие полагают, что им срочно необходим более мощный процессор. Но на практике, зачастую бывает достаточно просто-напросто увеличить объем оперативной памяти, чтобы почувствовать значительный прирост производительности компьютера.
В оперативной памяти компьютер размещает ту информацию, которая может потребоваться осуществляющему вычисления процессору. Рассматривайте этот тип памяти просто в качестве временного накопителя той информации, которая должна быть «поближе к процессору».
Когда мы работаем с компьютером, у нас порой запущено несколько программ одновременно. Операционная система выделяет каждой задаче определенный объем памяти. Если процессор нуждается в такой информации, которую он не находит в оперативной памяти, ему придется искать ее в других местах. В частности, на жестком диске компьютера. Это займет больше времени, чем извлечение данных из оперативной памяти. Для пользователя такая ситуация будет выглядеть, как временное «зависание» приложения. В таких случаях принято говорить, что «компьютер думает».
Одной из задач, которую незримо для пользователя берет на себя операционная система, является минимизация времени задержек, то есть того самого неприятного времени, в течение которого компьютер занят своими делами и не реагирует на ваши к нему обращения. Проблема в том, что в каждый момент времени операционная система располагает определенным объемом оперативной памяти, который всегда ограничен. Этот объем зависит в том числе и от того, сколько программ вы одновременно запустили. Операционная система должна каждое мгновение «знать», сколько оперативной памяти у нее осталось в запасе, чтобы вовремя выделить ее процессу, который нуждается в этом важном ресурсе.
Операционная система «оценивает» требования каждого работающего процесса и принимает решение о том, как их разумно удовлетворить. В идеале это нужно сделать так, чтобы пользователь не ощущал вообще никаких задержек. Но на практике ОС старается просто свести такие задержки к минимуму, рационально распределяя те ресурсы, которыми она фактически располагает.
На Земле не существует компьютеров с неограниченным объемом оперативной памяти. Поэтому системе всегда приходится выбирать, какой процесс считать в данный момент приоритетным, а какой второстепенным. Кому срочно выделять память, а кто и обойдется да потерпит до поры до времени. Пользователь может не всегда соглашаться с теми правилами, которыми руководствуется операционная система при распределении памяти. Но самостоятельно выделять процессам свободную оперативную память было бы куда сложнее и дольше, чем поручить это программной платформе.
Акцентирует внимание процессора на той или иной задаче.
Центральный процессор (CPU) является тем физическим модулем, который решает те задачи, которые ставит перед своим компьютером пользователь. Другое дело, что редкий пользователь владеет тем языком, который понимает процессор. Что там, даже не каждый программист близко знаком с машинным кодом. Человек может даже не задумываться над тем, что любая программа является сложным набором математических проблем.
Центральный процессор как раз и осуществляет вычисления, то есть находит решение этих проблем, а вам выдает уже готовые результаты, которые даже близко не напоминают формулы из учебника алгебры. Обычному пользователю вся эта математика попросту неинтересна. Он хочет, чтобы его игровой персонаж в долю секунды перепрыгнул препятствие или желает проверить орфографию только что написанного текста. За этими, казалось бы, далекими от скучных цифр задачами стоит сложнейшая математика.
Каждая работающая программа требует части вычислительной мощности процессора. Чем больше программ вы запускаете одновременно, тем ближе нагрузка процессора к максимальной. Задача операционной системы координировать доставку информации на обработку в процессор так, чтобы все проходило гладко и незаметно для пользователя. ОС может переключить внимание процессора с одной задачи на другую.
Одной из важных ролей операционной системы является роль менеджера ресурсов. Если она хорошо справляется с этой задачей, то мы даже не знаем о том, в какой момент процессор отложил в сторону одну задачу и обратил свое внимание на другую.
Сложнейшая из всех задач операционной системы состоит в том, чтобы вы на нее не обращали внимания и сосредоточились на интересных вам приложениях. И пока все идет хорошо, пользователь вообще не задумывается о платформе. И лишь, когда начинаются программные сбои, пользователь осознает, насколько важна миссия операционной системы.
Те «различия» между операционными системами, которые заметны большинству пользователей чисто косметические. Редкий пользователь разбирается в программировании настолько, чтобы за оболочкой графического интерфейса увидеть то, что на самом деле отличает одну операционную систему от другой. Ни внешний вид рабочего стола, ни дизайн значков приложений не имеет никакого отношения к внутренней сути операционной системы.
Те задачи, о которых написано выше, так или иначе выполняет каждая современная операционная система, управляющая любым персональным компьютером.
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.
Рассмотрим основные функции ОС:
1. Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:
- интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
- интерфейс между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
- интерфейс между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс)
При работе с пользователем все ОС способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы. В пакетном режиме ОС автоматически исполняет заданную последовательность команд. Суть диалогового режима состоит в том, что ОС 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.
Виды интерфейсов пользователя.
Различают неграфические и графические ОС. Неграфические ОС реализуют интерфейс командной строки(например, ОС MS DOS). Основное устройство управления – клавиатура. Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса, основанный на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. Активный элемент – указатель мыши. Пассивные элементы – экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и др. Органы управления – клавиатура и устройство позиционирования (мышь).
2. Обеспечение автоматического запуска. Все ОС обеспечивают свой автоматический запуск. Для дисковых ОС 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 ОС характерны для специализированных вычислительных систем (например, для устройств автоматического управления). Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог ОС. При подаче питания процессор обращается к фиксированному физическому адресу ПЗУ, с которого начинается запись программы инициализации ОС.
3. Организация файловой системы. Файловая система – это общая структура, определяющая наименование, сохранение и размещение файлов на диске. Принцип организации файловой системы всех современных дисковых ОС – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности; цилиндра; сектора. Цилиндр – совокупность дорожек на разных поверхностях, равноудаленных от оси вращения. А данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT) (в двух экземплярах для надежности). Поскольку размер FAT – таблицы ограничен (количество записей в таблице для адресации зависит от разрядности записи: для 16 разрядной это 216записей, а для 32 разрядной – 232 записей), то для дисков > 32 Мбайт обеспечить адресацию к каждому сектору не представляется возможным (размер одного сектора всего 512 байт). В этой связи группы секторов объединяются в кластеры. Размер кластера в отличие от размера сектора не фиксирован и зависит от емкости диска.
ОС MS DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные записи в FAT-таблицах (файловая система FAT16). В таких FAT – таблицах находится 216 (65536) записей о местоположении кластеров. Для дисков емкостью от 1 до 2 Гбайт длина кластера равна 32 Кбайта (64 сектора). Это неудобно – нерациональный расход рабочего пространства (очень маленький файл все равно занимает весь кластер, у больших файлов последний кластер может оказаться полупустым). Потери жестких дисков могут составлять 25% и даже 40% от полной емкости диска.
ОС Windows 98, 2000, XP кроме FAT 16 обеспечивают более совершенную организацию файловой системы – FAT 32. В таких FAT – таблицах находится 232 записей для адресации кластеров. Для дисков емкостью до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайта (всего 8 секторов). Потери жестких дисков в данном случае резко снижаются.
В ОС Windows 2000 и выше поддерживается три файловых системы: FAT, FAT32 и NTFS. Выбор файловой системы осуществляется при запуске ОС, форматировании существующего тома и установке нового жесткого диска. Для работы с Windows 2000 и выше рекомендуется использование файловой системы NTFS. Эта файловая система обладает всеми основными возможностями файловой системы FAT и имеет следующие преимущества по сравнению с файловыми системами FAT и FAT 32:
- Повышенная безопасность.
- Более эффективное сжатие данных.
- Поддержка больших дисков — до 2 терабайт (Тбайт). (Максимальный объем дисков для системы NTFS значительно превышает максимальный объем дисков для файловой системы FAT, и, в отличие от системы FAT, при увеличении объема диска не происходит снижения производительности.)
Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону – пространство, в которое растет метафайлMFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT - зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
Свободное место диска, однако, включает в себя все физически свободное место - незаполненные куски MFT – зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT – зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT –зона просто сокращается (в текущих версиях ОС ровно в два раза), освобождая, таким образом, место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT – зона может снова расшириться. При этом не исключена ситуация, когда в MFT-зоне остались и обычные файлы. Т.е метафайл все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.
Каждый элемент системы NTFS представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT (Master File Table – общая таблица файлов). Это централизованный каталог всех остальных файлов диска и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны ОС – они называются метафайлами, причем самый первый файл – сам MFT. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Эти 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Копия первых трех записей для надежности – они очень важны - хранится ровно посередине диска. Остальной MFT – файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска. Преимущество такого модульного подхода заключается в следующем: в FAT системе физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности – кроме первых 16 элементов MFT.