Операционные системы
Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных и служебных программных средств (рис.). С одной стороны она опирается на базовое программное обеспечение (ПО) компьютера, входящее в его систему BIOS, а с другой стороны, она сама является опорой для прикладного ПО и части служебных приложений.
Основная функция ОС заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:
между программно-аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).
2.1.Обеспечение аппаратно-программного интерфейса
2.1.1. Управление процессами
Процесс – это выполнение в процессоре компьютера программы обработки данных. Понятие процесс является одним из наиболее важных в описании функциональности ОС. Программа – это набор команд процессора, которая записана на диск в виде файла. После загрузки программы в оперативную память и последовательном их выполнении, программа становится процессом. Поскольку ОС Windows XP является многозадачной системой, то в памяти компьютера находится и выполняется несколько процессов. Процессор приостанавливает выполнение одного процесса (программы) и переходит к другой. При этом программа, выполнение которой приостановлено, должна хранить свое состояние, чтобы процессор мог возобновить ее выполнение с места остановки. Таким образом, любой процесс связан с памятью, с точкой выполнения, связанными ресурсами (открытыми файлами и устройствами компьютера). Состояние процесса описывается всей совокупностью этих данных.
ОС должна обеспечивать:
создавать и уничтожать пользовательские процессы;
приостанавливать и возобновлять выполнение процесса;
поддерживать механизм синхронизации процессов и их взаимодействия.
2.1.1. Управление оперативной памятью
Процессор имеет прямой доступ к оперативной (основной) памяти, где хранятся инструкции для выполнения (программа). Процессор может разделять прямой доступ к оперативной памяти с устройствами ввода-вывода. Устройства ввода-вывода могут записывать в оперативную память массивы данных, которые процессор затем считывает для выполнения.
ОС выполняет следующие функции управления оперативной памятью:
следит за тем, какая часть памяти каким процессом или устройством используется;
определяет, какие процессы должны быть загружены в память;
выделяет и освобождает область памяти.
2.3. Управление файловой системой
2.3.1. Организация файловой системы
В системной области диска хранятся служебные данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой, которая предназначена для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Нарушение целостности данных в системной области диска приводи к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами ОС.
Моделью организации хранения данных на диске является трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области (рис.2). Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке. Необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём.
Рис. 2. Геометрия магнитного диска
Сектор является наименьшей физической единицей хранения данных. Размер сектора строго фиксирован и составляет 512 байт. Группы смежных секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера (количество секторов) зависит от емкости диска и равно степени двойки.
Принцип организации файловой системы табличный на основе FAT – таблицы размещения файлов, разработанной компанией Microsoft. Это классическая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты всё ещё широко используется для флэш-накопителей. В недавнем прошлом использовалась в дискетах, на жёстких дисках и других носителях информации.
ОС Windows XP поддерживает версию файловой системы на основе таблиц FAT32 c 32-разрядной адресацией кластеров, которая была разработана для ОС Windows 95 в 1996 г. Для дисков объемом до восьми гигабайт длина кластера составляет 4 Кбайт (8 секторов). Для хранения данных файла отводится целое число кластеров (минимум один). Реально информацией файла может быть занята лишь небольшая часть кластера. Кластеру соответствует одна адресная запись в FAT – таблице. Файловая система FAT32 позволяет разместить в FAT – таблице 232 записей, что теоретически соответствует увеличению размеров диска до 232 секторов, что составляет 8 Терабайт при 2 килобайт на сектор. Максимальное количество файлов – не более 228. Максимально возможный размер файла — ~ 4 ГБ — это весьма важный фактор для смены файловой системы. FAT32 не поддерживает установку разрешений на доступ к файлам и папкам и некоторые другие функции современных файловых систем. Все эти причины привели к тому, что сейчас наблюдается тенденция отказа от FAT32 в пользу более продвинутых файловых систем, таких как NTFS.
ОС Windows XP и Windows 7 поддерживают файловую систему NTFS, в которой служебная информация о размещении файлов хранится в главной таблице MFT. В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска. Это позволит более эффективно использовать дисковое пространство, т.к. файл полностью не использую кластеры фиксированного размера.
Размеры диска могут достигать 264 байт (16 эксабайт). Максимальный размер файла практически 16 Терабайт. Максимальное количество файлов 232-1.