Понятие многозадачности

Работа с приложениями составляет наиболее важную часть работы операционной системы. С точки зрения управления исполнением приложений различают однозадачные и многозадачные операционные системы.

Однозадачные операционные системы (например, MS DOS) передают все ресурсы вычислительной системы одному исполняемому приложению.

Современные операционные системы, начиная с Windows 95, — многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы между задачами и обеспечивают:

• возможность одновременной или поочередной работы нескольких приложений;

• возможность обмена данными между приложениями;

• возможность совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

Важно понимать, что многозадачность Windows не есть реальная параллельность в выполнении программ. Среда Windows создает квази-параллельность, распределяя процессорное время между приложениями малыми порциями и постоянно переходя от одного к другому.

Понятие файловой системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы — табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов.

Жесткий диск — это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, жесткий диск имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n — число дисков в группе.

Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер таблиц размещения файлов ограничен, то обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным, так как негде хранить такое количество адресных данных. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер занимает самый маленький объем дискового пространства, пригодный для хранения данных. И, как следствие, кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Файл может состоять из одного кластера, если это маленький файл, или же из сотен и тысяч кластеров, если это файл большой. Меньше одного кластера файл занимать не может. Когда файл маленький, а выбранный для диска размер кластера велик, это вызывает потери дискового пространства. Представьте себе, что файл в пять-десять байтов занимает на диске 32 или даже 64 килобайта. Что же мешает сделать кластер маленьким? Ограничение на общее количество кластеров в одном разделе диска.

Разделы жесткого диска

Разделы диска разделяют на основные, дополнительные, логические.

На одном диске можно создать до четырех основных разделов. Причем на каждом из них можно инсталлировать свою операционную систему, с каждого можно загружаться. Но, загрузившись с одного из основных разделов, нельзя «увидеть» остальных. Например, в одном основном разделе вы установили Windows 98, а в другом — Linux. В этом случае, работая в Windows, нельзя пользоваться Linux, и, наоборот. Что, в общем-то, правильно — у них разные файловые системы.

Тот из основных разделов, с которого загружается компьютер, является активным. Активным может быть только один раздел диска, но можно активным назначить другой раздел диска, и тогда в следующий раз загрузка пойдет с него.

Пользователь создает дополнительный раздел, когда возникает потребность разделить жесткий диск на части. На диске может быть всего один дополнительный раздел. Сам по себе дополнительный раздел пользователю не нужен: на нем нельзя размещать файлы и папки. Дополнительный раздел — это всего лишь площадка, на которой создаются логические диски. Когда есть дополнительный раздел, то основных разделов может быть уже не четыре, а максимум три.

Количество логических разделов определяет пользователь. Каждый логический раздел будет «виден» при загрузке из любого основного раздела. Другое дело, что, отформатировав раздел под определенную операционную систему, вполне вероятно, что вы перестанете «видеть» его из другой операционной системы, которая такой формата дисков не поддерживает. Например, операционные системы Windows 95 и Windows 98 не поддерживают файловую систему NTFS. Но диски в FAT или в FAT32 будут доступны из Windows 9х так же хорошо, как и из Windows XP.

Вся информация о разделах диска, которую мы и называем Partition Table (таблица разделов), содержится на самом краешке диска, в главной загрузочной области (Master Boot Record, или MBR). Загрузка компьютера всегда начинается из MBR первого диска, а потом передается другому разделу — тому самому, который в таблице разделов помечен как активный. Если основных разделов несколько, то на каждом из них может быть своя загрузочная информация, загружающая ту или иную операционную систему.

Первым диском компьютер считает тот, который задан в качестве загрузочного в BIOS. Зайдите в CMOS SETUP и поглядите настройки, которые обычно называются Boot Device (устройство загрузки). Их можно изменить. Например, в качестве первого устройства загрузки (first boot device) выбрать CD-ROM, в качестве второго (second boot device) — жесткий диск, в качестве третьего — дискету.

DOS, Windows 9х могут загружаться только из активного основного раздела первого диска. Все версии NT могут загружаться также из логических разделов, но менеджер загрузки Windows NT должен находиться в том же активном основном разделе первого диска.

Обсуждая разделы диска, мы упомянули файловые системы FAT, FAT32 и NTFS. Так же называются и соответствующие им таблицы размещения файлов, предназначенные для хранения информации о кластерах диска.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS.

В настоящее время FAT применяется в MS DOS, Windows 3.х, Windows 95, но работает и во всех остальных версиях Windows.

Каждому кластеру в FAT соответствует отдельная запись, которая показывает, свободен ли он, занят ли данными файла или помечен как сбойный. Если кластер занят данными файла, то в соответствующей записи в таблице размещения файлов указывается адрес кластера, содержащего следующую часть файла. Из-за этого FAT называют файловой системой со связанными списками.

На практике FAT используется для поддержки дисков объемом от 32 Мбайт до 2 Гбайт. В частности, до сих пор по умолчанию она используется при форматировании дискет. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы.

Принято соглашение, что разрядность современных таблиц размещения файлов FAT составляет 16 бит, а максимальный размер кластера — 64 сектора. Отсюда следует, что максимальный размер кластера составляет:

64 х 512 байт = 32 Кбайт, где 512 байт — размер сектора.

Если каждому кластеру может быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, то FAT поддерживает максимально 2¹⁶, или 65536 кластеров на одном носителе. Значит, объем носителя не может превышать 2 Гбайт:

65536 х 32 Кбайт = 2 Гбайт.

Объем современных жестких дисков составляет несколько десятков Гбайт. Какой выход? Диск делить на разделы? На практике диск размером 120 Гбайт не делят на 60 частей, а используют другие файловые системы — FAT32 и NTFS.

Файловая система FAT32

Файловая система FAT32 применяется в Windows 98, Millennium. Операционные системы Windows 2000, Windows ХР тоже могут работать с FAT32.

Принято соглашение, что разрядность современных таблиц размещения файлов FAT32 составляет 32 бита. Значит, FAT32 поддерживает максимально 2³², или 4 294 967 296 кластеров на одном диске.

Размеры кластеров, устанавливаемые по умолчанию при форматировании диска, приведены в таблице:

Размер раздела	Размер кластера
0,256-8,01 Гбайт	4 Кбайт
8,02-16,02 Гбайт	8 Кбайт
16,03-32,04 Гбайт	16 Кбайт
Более 32,04 Гбайт	32 Кбайт

Из этой таблицы следует, что размер кластера остается достаточно маленьким, а потери дискового пространства — небольшими.

В FAT32 предприняты некоторые дополнительные меры для повышения надежности хранения данных:

• создается резервная копия таблицы размещения файлов, которую можно использовать в случае повреждения основной таблицы;

• создаются копии важнейших частей загрузочной области.

Файловая система NTFS

Файловая система NTFS (все версии Windows NT, Windows XP) позволяет уменьшить потери дискового пространства даже на очень больших дисках. NTFS распределяет дисковое пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь 2⁶⁴ кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT, размер кластера может меняться, но его размер необязательно возрастает пропорционально размеру диска. Размеры кластеров, устанавливаемые по умолчанию при форматировании диска, приведены в таблице:

Размер раздела	Размер кластера
Менее 512 Мбайт	512 байт
513-1024 Мбайт	1 Кбайт
1 Гбайт-2 Гбайт	2 Кбайт
2 Гбайт-4 Гбайт	4 Кбайт
4 Гбайт-8 Гбайт	8 Кбайт
8 Гбайт-16 Гбайт	16 Кбайт
16 Гбайт-32 Гбайт	32 Кбайт
Более 32 Гбайт	64 Кбайт

Пользоваться системой NTFS при работе с дисками менее 400 Мбайт не рекомендуется, так как слишком большую часть дискового пространства займут служебные области.

NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления после сбоя операционной системы или оборудования, при этом диск остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Кроме того, в системе NTFS заложена возможность в процессе работы обнаруживать сбойные блоки на поверхности жесткого диска и автоматически помечать их как неисправные, чтобы программы более не пытались записать в них свои данные. Скорость работы дисков в NTFS выше, чем в FAT и FAT32.

Система NTFS имеет преимущества при организации локальных сетей. Она позволяет задавать квоты дискового пространства для каждого пользователя, устанавливать права доступа к папкам и файлам, сжимать и шифровать данные, создавать составные диски и т.д.