Операционные системы. Назначение и основные функции. Обеспечение аппаратного взаимодействия

ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»

 

Информатика

 

Контрольная работа

Тема № 6

«Операционные системы. Назначение и основные функции»

Вопрос № 0

«Обеспечение аппаратного взаимодействия»

 

Операционная  система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью. Операционные системы: MS DOS 7.0, Windows Vista Business, Windows 2008 Server, OS/2, UNIX, Linux.

Основные функции ОС:

• управление устройствами компьютера (ресурсами), т.е. согласованная работа всех аппаратных средств ПК: стандартизованный доступ к периферийным устройствам, управление оперативной памятью и др.
• управление процессами, т.е. выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
• ведение файловой структуры.
• пользовательский интерфейс, т.е. диалог с пользователем.

Дополнительные функции:

• параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений.
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Состав операционной системы

В общем случае в состав ОС входят следующие модули:

• Программный модуль, управляющий файловой системой.
• Командный процессор, выполняющий команды пользователя.
• Драйверы устройств.
• Программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.
• Сервисные программы.
• Справочная система.

Драйвер устройства (device driver) – специальная программа, обеспечивающая управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами.

Командный процессор (command processor) – специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их (интерпретатор программ).

Интерпретатор  команд отвечает за загрузку приложений и управление информационным потоком между приложениями.

Для упрощения работы пользователя в состав современных ОС входят программные  модули, обеспечивающие графический  пользовательский интерфейс. 

Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к  обмену файлами между устройствами. В ОС имеется программный модуль, управляющий файловой системой.

Сервисные программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и др.), выполнять операции с файлами (копирование, переименование и др.), работать в компьютерных сетях.

Для удобства пользователя в состав ОС входит справочная система, позволяющая оперативно получить необходимую информацию о функционировании как ОС в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

Ядро – это модули, выполняющие основные функции ОС.

Вспомогательные модули, выполняющие вспомогательные функции ОС. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Модули ядра выполняют  следующие базовые функции ОС: Управление процессами, Управление системой прерываний, Управление памятью, управление устройствами ввода-вывода, Функции, решающие внутрисистемные задачи организации  вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/вы­грузка страниц, обработка прерываний. Эти функции  недоступны для приложе­ний. Функции, служащие для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду.

Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий: для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API (Application programming interface).

Пример.

Базовый код API Win32 содержится в трех библиотеках динамической загрузки (Dynamic Link Library, DLL): USER32, GDI32 и KERNEL32.

Kernel - модуль Windows, который поддерживает низкоуровневые функции по работе с файлами и управлению памятью и процессами. Этот модуль обеспечивает сервис для 16- и 32-разрядных приложений.

GDI (Graphics Device Interface) - модуль Windows, обеспечивающий реализацию графических функций по работе с цветом, шрифтами и графическими примитивами для дисплея и принтеров.

User - модуль Windows, который является диспетчером окон и занимается созданием и управлением отображаемыми на экране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и другими элементами пользовательского интерфейса.

Ядро является движущей силой  всех вычислительных процессов в  компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется  в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося  от формата пользовательских приложений.

Вспомогательные модули ОС выполняют вспомогательные функции ОС (полезные, но менее обязательные чем функции ядра).

Примеры вспомогательных  модулей:

• Программа архивирования данных.
• Программа дефрагментации диска.
• Текстовый редактор.

Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур. Вспомогательные модули ОС подразделяются на следующие группы:

• утилиты – программы, решающие задачи управления и сопровождения компьютерной системы: обслуживание дисков и файлов.
• системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.
• программы предоставления пользователю дополнительных услуг пользовательского интерфейса (калькулятор, игры).
• библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку при­ложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода).

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством  системных вызовов.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми  функциями операционной системы, поэтому  скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения  высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Вспомогательные модули обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих  функций, то есть являются транзитными. Такая организация ОС экономит оперативную  память компьютера.

 

http://more-it.ru/view_post.php?id=55с

 

2. Организация файловой  системы. Основные типы файлов  и их назначение.

Файловая система

 

Файловая система - это  часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы  обеспечить пользователю удобный интерфейс  при работе с данными, хранящимися  на диске, и обеспечить совместное использование  файлов несколькими пользователями и процессами.

 

В широком смысле понятие "файловая система" включает:

совокупность всех файлов на диске, наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске, комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения  ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивается известной схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому даже через достаточно большой промежуток времени можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. Например, Windows NT в своей новой файловой системе NTFS устанавливает, что имя файла может содержать до 255 символов, не считая завершающего нулевого символа.

При переходе к длинным  именам возникает проблема совместимости  с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы  приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее  соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные  короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим  длинные имена. Таким образом, одной  из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

 

Длинные имена поддерживаются не только новыми файловыми системами, но и новыми версиями хорошо известных  файловых систем. Например, в ОС Windows 95 используется файловая система VFAT, представляющая собой существенно измененный вариант FAT. Среди многих других усовершенствований одним из главных достоинств VFAT является поддержка длинных имен. Кроме проблемы генерации эквивалентных коротких имен, при реализации нового варианта FAT важной задачей была задача хранения длинных имен при условии, что принципиально метод хранения и структура данных на диске не должны были измениться.

Обычно разные файлы могут  иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых  системах одному и тому же файлу  не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение  отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает  файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимно-однозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и  используется программами операционной системы. Примером такого уникального  имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

http://citforum.ru/operating_systems/sos/glava_10.shtml

Типы файлов

Существует три основных типа файлов:

Стандартный - предназначен для хранения данных (текстовых или двоичных данных и исполняемого кода).

Каталог - содержит информацию, применяемую для доступа к другим файлам.

Специальный - представляет собой файл канала FIFO или файл физического устройства.

Система распознает только файлы этих типов. Однако в операционной системе также применяются многие производные типы файлов.

 

Стандартные файлы

Большая часть файлов относится  к стандартному типу. Другое название стандартных файлов - обычные файлы. Стандартные файлы предназначены  для хранения данных.

Текстовые файлы

Текстовые файлы - это стандартные  файлы, содержащие информацию, которая  может быть прочитана пользователем. Такие файлы хранят данные в формате ASCII. Их можно просмотреть или  напечатать. Строки текстовых файлов не должны содержать символ NUL, а  их длина с учетом символа новой  строки не может превышать значение {LINE_MAX} байт.

Текстовый файл может содержать  управляющие и непечатаемые символы (отличные от NUL). Если стандартная служебная  программа получает текстовый файл на вход или записывает его в качестве вывода, то она должна уметь обрабатывать встреченные специальные символы. В противном случае, в описании этой программы должны быть явно заданы ограничения, которые накладываются  на входные текстовые файлы.

Двоичные файлы

Двоичные файлы - это стандартные  файлы, содержащие данные, которые может  прочитать компьютер. Примером двоичного  файла может быть исполняемый  файл, в котором содержатся инструкции для системы по выполнению некоторого задания. Команды и программы  хранятся в двоичном виде в форме  исполняемых файлов. Для преобразования текста ASCII в двоичный код предназначены специальные программы-компиляторы.

Единственное различие между  текстовыми и двоичными файлами  состоит в том, что текстовые  файлы разбиты на строки, не содержащие символа NUL и заканчивающиеся символом новой строки, длина которых не превосходит {LINE_MAX} байт.

Файлы каталогов

Файлы каталогов содержат информацию, которая необходима системе  для доступа к файлам всех типов, но при этом в них не хранится сама информация из файлов. В результате каталоги занимают меньше места, чем  стандартные файлы. Кроме того, каталоги позволяют создать гибкую многоуровневую структуру файловой системы. Каждая запись каталога связана с файлом или подкаталогом и содержит имя  файла и номер индексного дескриптора  файла (номер i-узла). Номер i-узла ссылается  на уникальный индексный дескриптор, присвоенный файлу. В индексном  дескрипторе описано физическое расположение данных, связанных с  файлом. Для создания каталогов и  управления ими предназначен отдельный  набор команд.