Структура диска

Все темы данного раздела:

Таганрог 2003
УДК С.Н.Дроздов. Операционные системы: Конспект лекций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 136 с.   В данном пособии рассматриваются общие принципы функционирования о

Предмет и задачи курса
Предметом изучения в данном курсе являются операционные системы (ОС) современных компьютеров. В первом приближении ОС можно определить как комплекс программ, обеспе

Рекомендации по литературе
Содержание лекционного курса не обязательно на 100% совпадет с данным конспектом, поэтому надежнее всего ходить на лекции и иметь к экзамену собственный конспект. Из книг общего характера

Краткий очерк истории ОС
Изучение истории развития ОС показывает, что все существенные продвижения в области архитектуры ОС связаны с влиянием двух основных факторов: · прогресс технологии, приводящий к быстрому в

Предыстория ОС
Вскоре после того, как в конце 40-х годов XX века были созданы первые электронные компьютеры, очень остро встала проблема повышения эффективности использования оборудования, и прежде всего централь

Пакетные ОС
Историю собственно ОС можно начать с появления в конце 50-х годов первых систем, организующих работу по пакетному принципу. Важнейшим организационным изменением, происшедшим на этом этапе

Однозадачные ОС для ПЭВМ
В середине 70-х годов был изобретен микропроцессор, а к началу 80-х микропроцессоры стали догонять по функциональным характеристикам ранее использовавшиеся «большие» процессоры. Эта ситуация сделал

Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом
Быстрое развитие технологии привело к тому, что к концу 80-х годов ПК оказались в состоянии решать значительно более сложные и трудоемкие задачи, чем раньше. При этом многие из достижений прежних э

Критерии оценки ОС
При сравнительном рассмотрении различных ОС в целом или их отдельных подсистем возникает вечный вопрос – какая из них лучше и почему, какая архитектура системы предпочтительнее, какой из алгоритмов

Надежность
Этот критерий вообще принято считать самым важным при оценке программного обеспечения, и в отношении ОС его действительно принимают во внимание в первую очередь. Что понимается под надежно

Эффективность
Как известно, эффективность любой программы определяется двумя группами показателей, которые можно обобщенно назвать «время» и «память». При разработке системы приходится принимать много непростых

Удобство
Этот критерий наиболее субъективен. Можно предложить, например, такой подход: система или ее часть удобна, если она позволяет легко и просто решать те задачи, которые встречаются наиболее часто, но

Масштабируемость
Довольно странный термин «масштабируемость» (scalability) означает возможность настройки системы для использования в разных вариантах, в зависимости от мощности вычислительной системы, от набора ко

Способность к развитию
Чтобы сложная программа имела шансы просуществовать долго, в нее изначально должны быть заложены возможности для будущего развития. Одним из главных условий способности системы к развитию

Мобильность
Под мобильностью (portability) понимается возможность переноса программы (в данном случае ОС) на другую аппаратную платформу, т.е. на другой тип процессора и другую архитект

Основные функции и структура ОС
Согласно многолетней традиции, при рассмотрении основ функционирования ОС принято выделять четыре основных группы функций, выполняемых системой. · Управление устройствами

Windows
Система Windows была первоначально разработана фирмой Microsoft как графическая оболочка, загружаемая поверх MS-DOS. Идеи GUI (Graphic User Interface – графический интерфейс пользователя) были впер

Основные задачи управления устройствами
Понятие периферийных устройств (ПУ) объединяет, по сути, все основные аппаратурные блоки компьютера, за исключением процессора и основной памяти. Характерными чертами современных вычислительных сис

Прерывания
Прерывания (аппаратные) – это сигналы, при поступлении которых нормальная последовательность выполнения программы может быть прервана, при этом система запоминает информацию, необходимую для возобн

Активное и пассивное ожидание
Поговорим подробнее об одном важном различии между способами ввода/вывода по опросу готовности и по прерываниям. Основной особенностью ввода/вывода по опросу готовности является цикл ожида

Понятие буферизации
Буферизацию в самом широком смысле можно определить как такую организацию ввода/вывода, при которой данные не передаются непосредственно с устройства в заданную область памяти

Сглаживание неравномерности скоростей процессов
Достаточно часто в работе ОС встречается ситуация, когда один процесс порождает данные, которые должны оперативно обрабатываться другим процессом. В качестве примера можно привести прием по сети да

Распараллеливание ввода и обработки
Во многих вычислительных системах имеются аппаратные возможности совместить во времени выполнение операций ввода/вывода и обработку данных процессором. Чтобы использовать эти возможности, данные пр

Согласование размеров логической и физической записи
Логической записью называют порцию данных, указанную в операторе ввода/вывода. Размер логической записи определяется логикой работы программы или, например, логической структурой базы данных.

Редактирование при интерактивном вводе
Несколько особняком от других форм буферизации стоит использование буфера строки при вводе с клавиатуры. Для пользователя привычно, что в процессе ввода числовых или строковых значений он

Кэширование дисков
Очень важной, специфической формой буферизации является кэширование[2]. Этот термин означает использование сравнительно небольшой по объему, но быстродейств

Опережающее чтение.
В том случае, если обработка данных ведется последовательным образом (от начала файла к концу), кэширование не дает значительного эффекта. После того, как обработаны данные из одного блока, дальней

Драйверы устройств
Драйвер устройства – это системная программа, которая под управлением ОС выполняет все операции с конкретным периферийным устройством. Драйвер является как бы посредником между

Уровни доступа к устройствам
Система MS-DOS предоставляет пользователю возможности доступа к устройствам на нескольких уровнях, отличающихся степенью близости к аппаратуре. Нижние уровни позволяют более полно использовать тонк

Драйверы устройств в MS-DOS
Драйвер устройства в MS-DOS состоит из трех блоков с известными нам названиями: заголовок драйвера, блок стратегии и блок прерываний. При близком рассмотрении оказывается, однако, что сходство огра

Управление символьными устройствами
Работу MS-DOS с символьными устройствами интереснее всего рассмотреть на примере клавиатуры. Путь, который проходят при этом вводимые данные, схематично показан на рис. 2‑6.

Средства доступа к дискам
На уровне архитектуры системы контроллер диска представлен несколькими регистрами, доступными через порты компьютера. В эти порты перед выполнением операций заносятся такие данные, как номер диска,

Драйверы устройств в Windows
Поскольку Windows – многозадачная система, она исключает для прикладных программ такие вольности, как прямое обращение к портам ввода/вывода или обработка аппаратных прерываний. Взаимодействие с ап

Доступ к устройствам
В большинстве случаев программы не работают непосредственно с устройствами. Вместо этого для выполнения требуемых операций используются API-функции более высокого уровня, а обращения к устройствам

Драйверы устройств в UNIX
Драйверы в ОС UNIX довольно точно соответствуют стандартной схеме драйвера, приведенной в п. 2.7. Тем не менее, ввиду существенных различий в работе с символьными и с блочными устройствами, в UNIX

Устройство как специальный файл
Интересной отличительной особенностью UNIX является то, что для работы с периферийными устройствами прикладные программы могут и должны использовать те же средства, что для работы с файлами. Вообще

Основные задачи управления данными
Старинный термин «управление данными» в настоящее время всегда понимается как управление файлами. Файл есть набор данных, хранящийся на периферийном устройстве и досту

Характеристики файлов и архитектура файловых систем
С каждым файлом связан набор атрибутов (характеристик), т.е. набор сведений о файле. Состав атрибутов может сильно различаться для разных файловых си

Размещение файлов
Область данных диска, отведенную для хранения файлов, можно представить как линейную последовательность адресуемых блоков (секторов). Размещая файлы в этой области, ОС должна отвести для каждого фа

Защита данных
В многопользовательских ОС первостепенное значение приобретает задача защиты данных пользователя от случайного или намеренного доступа со стороны других пользователей. Вопросы защиты данных и станд

Общая характеристика системы FAT
Система FAT была разработана для ОС MS-DOS. Это простая файловая система с сегментированным размещением, без многопользовательской защиты. Структура каталогов – древовидная, причем на каждом дисков

Структуры данных на диске
При форматировании дискеты или раздела жесткого диска в системе FAT все дисковое пространство разбивается на следующие области, показанные на рис. 3‑2.

Создание и удаление файла
Чтобы завершить изучение структур данных системы FAT, рассмотрим, как изменяются эти структуры при операциях создания и удаления файла. Когда ОС выполняет функцию создания файла с заданным

Системные функции
Для работы с файлами и каталогами системы FAT в MS-DOS предусмотрен достаточно богатый набор функций. Все они вызываются с помощью команды программного прерывания int 21h, а конкретная функция опре

Доступ к данным
В MS-DOS существует два различных набора функций, позволяющих работать с данными файлов. Один из них, основанный на использовании блока управления файлом (FCB), вряд ли кем-то использовался в после

Структуры данных в памяти
Для обеспечения доступа к открытым файлам MS-DOS использует системные таблицы двух типов. Таблица SFT (System File Table) содержит записи о всех файлах, в данный момент открытых программам

Новые версии системы FAT
Структуры данных файловой системы являются одной из наиболее консервативных, плохо поддающихся изменениям характеристик ОС. Проблема заключается в том, что при изменениях структур данных трудно сох

Жесткие и символические связи
Структуру каталогов файловой системы UNIX называют иногда сетевой, чтобы подчеркнуть ее отличие от строго иерархической (древесной) структуры каталогов таких систем, как, например, FAT. Отличие это

Монтируемые тома
В UNIX нет понятия «буква диска», подобно буквам A:, C: и т.д., используемым в MS-DOS и в Windows. В системе может быть несколько дисковых томов, но, прежде чем получить доступ к файловой системе л

Типы и атрибуты файлов
Для каждого файла в UNIX хранится его тип, который при выдаче каталога обозначается одним из следующих символов: - – обычный файл, т.е. файл, содержа

Управление доступом
Для каждого файла (в том числе каталога, специального файла) определены такие понятия, как владелец (один из пользователей системы) и группа-владелец

Структуры данных файловой системы UNIX
Дисковый том UNIX состоит из следующих основных областей, показанных (не в масштабе) на рис. 3‑5:

Доступ к данным в UNIX
UNIX предоставляет в распоряжение прикладных программ набор системных вызовов, позволяющих выполнять основные операции с файлами и каталогами в целом (создание, удаление, поиск, изменение владельца

Развитие файловых систем UNIX
Описанная выше классическая файловая система UNIX является по-своему весьма стройной и мощной, способной удовлетворить разнообразные требования пользователей. В то же время эта система давно уже по

Особенности файловой системы NTFS
Файловая система NTFS была разработана специально для использования в ОС Windows NT как замена для устаревшей системы FAT. NTFS является основной системой и для новых версий – Windows 2000/XP.

Атрибуты файла
Каждая запись MFT содержит набор атрибутов, который может различаться для разных файлов и каталогов. Атрибут в NTFS состоит из заголовка и значения, а заголовок, в свою очередь, содержит т

Доступ к данным
Windows предоставляет прикладным программам API-функцию CreateFile, которая может использоваться как для создания нового файла, так и для открытия существующего. В любом случае эта функция создает

Защита данных
Средства безопасности в Windows NT/2000/XP представляют собой отдельную подсистему, которая обеспечивает защиту не только файлов, но и других типов системных объектов. Файлы и каталоги NTFS предста

Аутентификация пользователя
Важным элементом любой системы защиты данных является процедура входа в систему, при которой выполняется аутентификация пользователя. В Windows NT для вызова диалога входа в систему используется из

Дескриптор защиты
Для любого защищаемого объекта Windows (файла, каталога, диска, устройства, семафора, процесса и т.п.) может быть задана специальная структура данных – атрибуты защиты. Основным содержание

Основные задачи управления процессами
Под управлением процессами понимаются процедуры ОС, обеспечивающие запуск системных и прикладных программ, их выполнение и завершение. В однозадачных ОС управление процессами решает следую

Понятия процесса и ресурса
Согласно определению, данному в /7/, «последовательный процесс (иногда называемый «задача») есть работа, производимая последовательным процессором при выполнении программы с ее данными». П

Квазипараллельное выполнение процессов
С точки зрения внешнего наблюдателя, в хорошей многозадачной ОС происходит одновременная, параллельная работа нескольких процессов. Однако понятно, что эта одновременность кажущаяся. На самом деле,

Состояния процесса
Любой процесс в многозадачной ОС многократно испытывает переход из одного состояния в другое. Основных состояний всего три. · Работа (running) – в этом состоянии находится процесс

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
Все многозадачные ОС можно разделить на два класса, различающиеся по способам организации переключения процессов. В системах с невытесняющей диспетчеризацией (non-preemptive multitasking)

Дескриптор и контекст процесса
С каждым процессом связаны описывающие его данные в основной памяти, необходимые ОС для поддержки выполнения процесса. Все эти данные можно разбить на две большие структуры: дескриптор процесса и к

Реентерабельность системных функций
В многозадачной системе нельзя исключить возможность того, что переключение процессов произойдет во время выполнения вытесняемым процессом какой-либо из системных функций. При этом выполнение функц

Дисциплины диспетчеризации и приоритеты процессов
Когда планировщик процессов получает управление, его основной задачей является выбор следующего процесса, который должен получить управление. Алгоритмы, лежащие в основе этого выбора, определяют

Изоляция процессов и их взаимодействие
Одна из важнейших целей, которые ставятся при разработке многозадачных систем, заключается в том, чтобы разные процессы, одновременно работающие в системе, были как можно лучше изолированы друг от

Проблема взаимного исключения процессов
Серьезная проблема возникает в ситуации, когда два (или более) процесса одновременно пытаются работать с общими для них данными, причем хотя бы один процесс изменяет значение этих данных.

Двоичные семафоры Дейкстры
Совершенно иным образом подошел к проблеме взаимного исключения великий голландский ученый Э.Дейкстра (E.Dijkstra, 1966). Он предложил использовать новый вид программных объектов – семаф

Целочисленные семафоры
В упомянутой работе Дейкстры, помимо двоичных семафоров, принимающих значения 0 и 1, был рассмотрен также более общий тип семафоров со значениями на интервале от 0 до некоторого N. Функция P(S) уме

Семафоры с множественным ожиданием
Возможна ситуация, когда процесс может выбрать один из нескольких путей дальнейшей работы, но на каждом пути он может быть заблокирован закрытым семафором. Разумно было бы ждать освобождения любого

Сигналы
Сигнал – это нечто, что может быть послано процессу системой или другим процессом. С сигналом не связано никакой информации, кроме номера (кода), указывающего, какой именно тип

Сообщения
Сообщения также посылаются процессу системой или другим процессом, однако отличаются от сигналов в двух отношениях. Во-первых, сообщения не прерывают работу процесса-п

Общая память
Поговорим теперь еще об обмене данными. Самым простым и естественным способом такого обмена представляется возможность совместного доступа двух или более процессов к общей области памяти. Но поскол

Программные каналы
Другое часто используемое средство обмена данными – программный канал (pipe; иногда переводится как «трубопровод»). В этом случае для выполнения обмена используются не команды чтения/записи в памят

Проблема тупиков
Согласно определению из /7/, тупик – это состояние, в котором «некоторые процессы заблокированы в результате таких запросов на ресурсы, которые никогда не могут быть удовлетворены, если не будут пр

Процессы в MS-DOS
Как говорилось выше, управление процессами в однозадачных ОС, к которым относится MS-DOS, является сравнительно тривиальной задачей. Загрузка ОС завершается запуском программы командного и

Среда программы
Среда программы (environment; другой перевод – «окружение») представляет собой текстовый массив, состоящий из строк вида: "переменная=значение", 0 З

Запуск программы
Одной из основных задач, которые должна решать система, является запуск программ на выполнение. Для этого предназначена системная функция Exec, которая может быть вызвана либо программой COMMAND.CO

Завершение работы программы
Завершение программы обычно включает в себя следующие действия системы: · Закрываются все файлы, открытые программой. · Освобождаются все блоки памяти, отведенные для программы и

Перехват прерываний и резидентные программы
Большая часть всех функциональных возможностей MS-DOS заключается в обработке разнообразных аппаратных и особенно программных прерываний. В частности, обращение к многочисленным системным функциям

Управление процессами в Windows
В отличие от «полуторазадачной» MS-DOS, которая оставляет прикладному программисту всю работу (и весь риск) организации параллельного функционирования процессов, многозадачные ОС предоставляют прог

Понятие объекта в Windows
В ОС Windows широко используется понятие системного объекта. По сути, любой объект представляет собой некоторую структуру данных, расположенную в адресном пространстве систе

Процессы и нити
Общее понятие процесса, рассмотренное выше в п. 4.2.1, для ОС Windows как бы распадается на два понятия: собственно процесса и нити (thread; в некоторых книгах используется

Планировщик Windows
Задачей планировщика является выбор очередной нити для выполнения. Планировщик вызывается в трех случаях: · если истекает квант времени, выделенный текущей нити; · если текущая ни

Процесс и нить как объекты
Подсистема управления процессами в Windows позволяет рассматривать процессы и нити как объекты, над которыми нити различных процессов могут выполнить целый ряд действий. Для этого требуется иметь х

Способы синхронизации
Windows предоставляет разнообразные возможности для синхронизации работы нитей, т.е., иначе говоря, для организации пассивного ожидания нитью некоторых событий, связанных с работой других нитей тог

Объекты синхронизации и функции ожидания
Объекты синхронизации представляют собой частный случай объектов ядра Windows. Отличительной особенностью объектов синхронизации является возможность использовать в качестве аргументов функций ожид

Типы объектов синхронизации
Список объектов синхронизации включает следующие типы объектов: · процессы; · нити; · события (в узком смысле); · мьютексы (двоичные семафоры); · семафо

Критические секции
Еще одним средством синхронизации потоков служат переменные типа CRITICAL_SECTION. По назначению они совпадают с рассмотренными выше мьютексами, однако реализация двоичного семафора в этом случае с

Сообщения
Огромную роль в организации работы прикладных программ и самой системы Windows играют сообщения (messages). На обработке сообщений, посылаемых системой, основана вся работа

Жизненный цикл процесса
Понятие процесса в UNIX существенно отличается от аналогичного понятия в других популярных ОС. Если в MS-DOS, Windows и других системах новый процесс создается только при запуске программы, то в UN

Группы процессов
При входе пользователя в систему для него создается процесс-оболочка, являющийся предком всех других процессов этого пользователя. Этот процесс становится лидером группы пор

Программные каналы
Одним из «фирменных» изобретений UNIX, впоследствии позаимствованных другими ОС, является понятие программного канала или «трубопровода» (pipe), позволяющего выполнять обмен

Сигналы
Сигнал представляет собой уведомление процесса о некотором событии, посылаемое системой или другим процессом. Основными характеристиками сигнала являются его номер и адресат сигнала. В раз

Средства взаимодействия процессов в стандарте POSIX
Десятилетия успешного использования UNIX выявили, тем не менее, ряд недостатков в исходной архитектуре этой системы. Одним из самых заметных пробелов была явная слабость механизма синхронизации про

Состояния процессов в UNIX
UNIX является многозадачной системой с вытесняющей приоритетной диспетчеризацией. Диаграмма основных состояний процесса, показанная на рис. 4‑1, в случае UNIX может быть уточнена так

Приоритеты процессов
В большинстве версий UNIX используются уровни приоритета от 0 до 127. Будем для определенности считать, что 0 соответствует высшему приоритету, хотя в некоторых версиях дело обстоит наоборот.

Интерпретатор команд shell
Организация интерфейса с пользователем обычно не пользуется особым вниманием в курсах ОС. Причина этого в том, что вопросы интерфейса достаточно далеки от круга проблем, касающихся других основных

Основные задачи управления памятью
Основная память (она же ОЗУ) является важнейшим ресурсом, эффективное использование которого решающим образом влияет на общую производительность системы. Для однозадачных ОС управление пам

Виртуальные и физические адреса
Понятие «адрес памяти» может рассматриваться с двух точек зрения. С одной стороны, при написании любой программы ее автор либо явно указывает, по каким адресам должны размещаться переменные и коман

Настройка адресов
Если в программе используются значения физических адресов, то правильность ее работы зависит от того, по каким адресам загружена в память сама программа. Это особенно очевидно для команд перехода:

Сегментная организация памяти
Перейдем теперь к рассмотрению способов организации памяти, которые базируются на использовании виртуальных адресов, аппаратно преобразуемых в физические при выполнении команд. Два основных вида ор

Страничная организация памяти
Эта форма организации виртуальной памяти во многом похожа на сегментную. Основные различия заключаются в том, что все страницы, в отличие от сегментов, имеют одинаковые размеры, а разбиение виртуал

Сравнение сегментной и страничной организации
Оба рассмотренных способа организации виртуальной памяти имеют свои достоинства и недостатки. К преимуществам сегментной организации в литературе обычно относят следующие. · Легко

Управление памятью в MS-DOS
MS-DOS – это ОС, работающая в реальном режиме процессора i86, что предполагает использование адресного пространства размером всего лишь 1 Мб. На самом деле, в компьютерах IBM гарантируется наличие

Структура адресного пространства
Принято считать, что каждый процесс, запущенный в Windows, получает в свое распоряжение виртуальное адресное пространство размером 4 Гб. Это число определяется разрядностью адресов в командах: 2

Регионы
Рассмотрим теперь, каким образом программа процесса может использовать свое адресное пространство. Попытка просто-напросто использовать в программе произвольно выбранный адрес в пределах а

Отображение исполняемых файлов
При запуске нового процесса Windows использует практически тот же механизм выделения регионов памяти, который был описан в предыдущем пункте. Отличие в том, что выделение памяти выполняет сама сист

Файлы, отображаемые на память
Нетрудно понять, что те же средства, которые используются для отображения исполняемого файла на виртуальную память, могут быть применены и к любому другому файлу. В Windows программистам предоставл

Стеки и кучи
Описанные выше средства управления памятью, основанные на выделении регионов, представляют собой мощный и красивый инструмент для работы с большими массивами памяти. Однако в практике программирова

Управление памятью в UNIX
Дать общую характеристику управления памятью в UNIX затруднительно, поскольку эта часть системы претерпела наибольшие изменения за долгий период существования UNIX, пройдя путь от управления динами