До последнего времени для ПК IBM-клона применяются три типа локальных ОС:
однопользовательская однозадачная DOS;
однопользовательские многозадачные OS/2, Windows 95, 98, 2000, ...;
многопользовательская многозадачная UNIX.
Начальная ОС для ПК – DOS, которая появилась в 1982 г. и до 1988 г. была единственной ОС для этого типа ЭВМ и в некотором смысле основой при разработке последующих ОС. Последующие операционные системы (OS/2, Windows) представляют собой дальнейшее развитие DOS, недостатки которой довольно быстро выявились и связаны с опережающим развитием технических средств ПК. Все эти ОС в определенной степени возникли в недрах фирмы Microsoft и имеют ряд общих черт, характерных для дисковых ОС.
1. Обеспечение автоматического запуска ОС с помощью комплекса программ BIOS (Basic Input/Output System), хранящихся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ или ПП3У) и представляющих так называемое аппаратно-ориентированное ПО (Firm ware), поставляемое изготовителем ЭВМ. BIOS начинает работать после включения питания ПК с проверки комплектности ЭВМ (проверки ОП, наличие НЖМД и НГМД, наличие клавиатуры) и сообщения о неисправностях. Если с комплектацией все в порядке, то BIOS завершает свою работу считыванием из специальной (системной) области диска программы-загрузчика, которая и осуществляет дальнейшее размещение ОС в ОП и ее запуск.
2. Физическая организация файловой системы во всех указанных ОС имеет общие принципы. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах (File Allocation Table)).
Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. В операционных системах DOS, OS/2, Windows 95 для адресации файлов используются 16-разрядные поля (FAT 16). Такое адресное пространство не позволяет адресовать каждый сектор для дисков, объем которых превышает 32 Мбайт. В связи с этим группы секторов условно объединяют в кластеры. Кластер – наименьшая единица адресации данных на диске. Размер кластера в отличие от размера сектора не фиксирован и зависит от емкости диска. Так, для дисков объемом 1 – 2 Гбайта длина кластера составляет 32 Кбайта (64 сектора). Это приводит к нерациональному расходу рабочего пространства диска, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует целый кластер. Даже если файл достаточно велик, в его конце может образоваться остаток, расходующий целый кластер, занимая при этом незначительную часть его. В результате потери, связанные с неэффективностью файловой системы, могут составлять 25 – 40 % полной емкости диска.
Частично эта проблема решается разбиением физического пространства диска на ряд разделов – логических дисков, каждый из которых имеет свою FAT-таблицу и представляется для пользователя как автономный, независимый диск.
Еще более радикальное решение – переход на FAT-таблицы с 32-разрядным адресным полем (FAT 32). Такой переход начался с ОС Windows 98. Для дисков до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).
3. Логическая организация функции файловой системы достаточно традиционна. Для пользователя она представляется в виде иерархической, древовидной структуры. Метод именования файлов заимствован из системы UNIX, полное имя файла состоит из цепочки имен всех охватывающих каталогов (которые в ОС Windows 95, 98, 2000, ... называются папками), начиная от корня файловой системы, завершаемой локальным именем файла.
Каталог является файлом. В качестве разделителя используется левый слэш (в UNIX – правый слэш). Для сокращенного именования, как и в UNIX, введено понятие текущего каталога.
К функциям обслуживания файловой структуры относятся операции, происходящие под управлением ОС:
создание файлов и присваивание им имен;
создание каталогов (папок) и присваивание им имен;
переименование файлов и каталогов (папок);
копирование и переименование файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;
удаление файлов и каталогов (папок);
навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);
управление атрибутами файлов.
Кроме имен и расширений имен файлов ОС хранит для каждого файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты – дополнительные параметры, определяющие свойства файлов. ОС позволяет их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами.
Основных атрибутов четыре:
1) только для чтения (Read only);
2) скрытый (Hidden);
3) системный (System);
4) архивный (Archive).
Рассмотрим некоторые особенности ОС, применяемых для ПК IBM РС-клона.
DOS.Как уже упоминалось, первая 16-разрядная ОС для ПК IBM, имевшая колоссальный успех, была разработана в 1981 г. сотрудником фирмы Seattle Computer Products Тимом Петерсоном, который выполнял работу в рамках фирмы Microsoft. Эта ОС явилась развитием своего логического предшественника – очень популярной (по тем временам) операционной системы СР/М, применяемой для 8-разрядных микроЭВМ. При поставке DOS фирмой-разработчиком она называлась MS-DOS, при поставке фирмой IBM – PC-DOS. Множество лицензий на MS-DOS были затем проданы другим изготовителям и имели собственные названия: так, фирма Digital Research (разработчик СР/М) разработала DR-DOS.
DOS являлась единственной ОС, применяемой для ПК IBM PC вплоть до 1987 г. и фактически основной до 1995 г., поскольку появившаяся в 1987 г. OS/2 имела ограниченное распространение. За этот период выпущено шесть версий ОС: от MS-DOS 1.0 (1981 г.) до MS-DOS 6.0 (1993 г.). Продолжающаяся в этот период разработка DOS связана, прежде всего, с адаптацией к интенсивно развивающимся техническим средствам ПК, постоянно увеличивающимся объемом ОП, появлением новых типов НГМД и НЖМД, поддержкой CD-ROM, поддержкой средств сетевого взаимодействия и т.п. Очень важным элементом в совершенствовании DOS явилось создание полноэкранного, алфавитно-цифрового (Norton Commander), а затем и графического пользовательского интерфейса, последняя версия которого в виде оболочки Windows 3.1 явилась промежуточным этапом к переходу на 32-разрядные ОС фирмы Microsoft.
Независимо от версий, работу DOS обеспечивают следующие три компонента:
базовая система ввода-вывода (BIOS, или RIOS) – записанная в ПЗУ программа (программа поставляется производителями ЭВМ и выполняет функцию обеспечения нормального функционирования: проверку комплектности, тестирование различных устройств ПК, инициализацию загрузки DOS и ряд других функций, эта программа не является файлом и фактически не входит в состав DOS);
ядро DOS содержит в виде скрытых файлов: блок первоначальной загрузки (bootstrap), располагаемый в первом секторе системного диска (считываемый с помощью BIOS) и обеспечивающий загрузку в память машины операционной системы – IO.SYS (или IBM BIO.COM), так называемую базовую систему ввода-вывода с программным обслуживанием периферийных устройств (расширение и исправление BIOS), а также файл MS DOS.SYS (IBM DOS.COM), содержащий программы управления файлами, памятью, запуском программ и т.д. (этот файл иногда называется модулем управления прерываниями, поскольку обращение к программным средствам (функциям DOS) из программы пользователя осуществляется с помощью программных прерываний);
файл COMMAND.COM, или командный процессор (интерпретатор), в функции которого входит прием, проверка команд, вводимых пользователем с клавиатуры, и их выполнение (существует три категории команд DOS – резидентные или внутренние, постоянно находящиеся в ОП, полурезидентные, которые могут (по мере необходимости) «затираться» прикладными программами, и внешние, вызываемые по мере необходимости из внешней памяти).
Подробное описание MS-DOS различных версий с перечнем команд и правилами их использования широко представлены в различной литературе.
Появившаяся в 1981 г. для IBM PC операционная система DOS предоставляла небывалые по тем временам возможности в мире микрокомпьютеров (если учесть что ОП, которая даже для мини-компьютеров по тем временам традиционно равнялась 64 Кбайт, была превышена на порядок, а объем дисковой памяти от сотен килобайт был доведен до десятков мегабайт). Казалось, что ОП в 640 Кбайт хватит на несколько десятков лет. Однако прогресс технических средств превзошел все мыслимые прогнозы.
Уже появление в 1984 г. процессора Intel-80286, обеспечивающего адресацию 16 Мбайт ОП, аппаратную поддержку механизма виртуальной памяти для доступа к 1 Гбайту внешней памяти, аппаратную поддержку механизма мультизадачного режима с возможностью взаимоизоляции ресурсов и взаимодействия задач (процессов), выявило ограниченные возможности 16-разрядной DOS в эффективной поддержке новых технических средств. DOS обеспечивает прямую адресацию не более 1 Мбайта и абсолютно не подготовлена к мультизадачному режиму работы. Дальнейшее развитие DOS связано с попыткой преодолеть эти ограничения, однако изначально заложенные программы значительно снижали эффективность использования новых ресурсов МП, связанных с многозадачностью и использованием оперативной и внешней памяти большого объема.
UNIX.Среди многопользовательских ОС UNIX занимает особое место. Предназначенная для профессионалов в области вычислительной техники эта мощная и совершенная система имеет рациональный и упорядоченный синтаксис. Она значительно сложнее чем DOS и ее производные, но и возможности ее значительно превышают возможности DOS.
UNIX – рекордсмен-долгожитель среди всех существовавших и всех существующих ОС.
Появление UNIX было вполне закономерным. В конце 60-х годов у всех крупных конструкторов компьютеров имелись мощные многозадачные, многопользовательские ОС в результате их непрерывного совершенствования. Они постоянно модернизировались по мере развития технических средств и появления новых приложений. После многих лет усовершенствований функциональные возможности этих систем значительно изменились, однако их исходная структура сохранилась и становилась все большим препятствием на пути модернизации всей системы. К тому же написанные на Ассемблере эти ОС могли использоваться только на одном типе компьютеров.
В 1969 г. Томсон и Ричи – два программиста фирмы Bell Laboratories, филиала могущественной корпорации American Telephon & Telegraph (AT & T) решили создать для внутренних нужд своей фирмы совершенную ОС, простую в использовании, одним словом «дружескую», и как можно меньше зависящую от типа ЭВМ, на которой она будет работать. Специально для этих целей Денис Ричи разработал язык С. Так и появилась ОС UNIX. Первоначально эта система разрабатывалась для больших ЭВМ. Внедрение UNIX в ПК связано с новыми возможностями и увеличением мощности микропроцессоров, начиная с модели 80386 и выше. Наибольшее распространение эти ОС получили в классе 32- и 64-разрядных рабочих станций, серверов и суперсерверов. С учетом заметной тенденции к слиянию этих классов ЭВМ движение системы UNIX на «смежную» территорию ПК выглядит закономерным.
В чем же причины популярности UNIX?
1. Код системы на 80 – 90 % написан на языке С (≈ 10000 строк на С и 1000 строк ASS), что сделало ее простой для понимания, изменений и переноса на другие платформы. По оценкам одного из создателей UNIX, Дениса Ричи, система на языке С имела на 20 – 40 % больший размер, а производительность ее была на 20 % ниже аналогичной системы, написанной на Ассемблере. Однако ясность и переносимость (а в результате – и открытость системы) сыграли решающую роль в ее популярности. Система легко расширяема и настраиваема.
2. UNIX – многозадачная многопользовательская система с широким спектром услуг. Один мощный сервер может обслуживать запросы большого количества пользователей, выполняя различные функции: работать как вычислительный сервер, обслуживать сотни пользователей как сервер баз данных, как сетевой сервер, поддерживающий важнейшие приложения в сети (telnet, ftp, электронную почту, службу имен DNS и т.д.), может использоваться и как сетевой маршрутизатор.
3. Наличие стандартов (несмотря на многообразие версий UNIX основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов) позволяет обслуживать различные версии без большого труда опытным администраторам, пользователям переход на другою версию и вовсе может оказаться незаметным.
4. Используется единая, легко обслуживаемая файловая система (основные концепции которой в дальнейшем использовались и в ОС ПК). Файловая система – не только доступ к файлам, хранящимся на диске. Через унифицированный интерфейс файловой системы осуществляется доступ к терминалам, принтерам, магнитным лентам, сети и даже памяти.
5. Семейство протоколов TCP/IP, стандартизованных в 1983 г. и являющихся основными протоколами ГВС Internet, было разработано в 70-х годах специально для ОС UNIX.
6. Имеется простой, но мощный модульный пользовательский интерфейс, содержащий в своем распоряжении набор утилит, каждая из которых решает узкую специализированную задачу и при помощи которых можно конструировать сложные комплексы.
7. Обладает высокой надежностью и защищенностью системы как от случайных ошибок, так и от несанкционированного доступа.
8. Имеется очень большое количество приложений, в том числе свободно распространяемых, начиная от простейших текстовых редакторов и заканчивая мощными системами управления базами данных.
UNIX, как и любая многопользовательская система, имеет ряд характерных особенностей, отличных от традиционных локальных ОС ПК, связанных с различными уровнями защиты системы.