Раткий обзор современных операционных систем

перационная система

онятие, основные функции и составные части операционной системы

лассификация операционных систем

айловые системы

сновные функции файловой системы

айлы и каталоги

изическая организация данных на носителе

рава доступа к файлу

ругие функции файловых систем

айловые системы FAT16, FAT32

перационная система MS DOS

сновные составные части MS DOS

омандный процессор Command.com

оздание командных файлов

омандный файл автонастройки AUTOEXEC.BAT

айл конфигурации CONFIG.SYS

рограммные оболочки

перационные системы Windows 9х

бщая характеристика и история развития

Windows 3.1

Windows 95

Windows 98

собенности операционной системы Windows 2000

сновные элементы графической оболочки Windows

ервисные программные средства

лужебные программы

рхивация данных

нтивирусные программные средства

раткий обзор современных операционных систем

Контрольные вопросы

Литература

Источники в Интернете

В самом общем плане программное обеспечение для вычислительной техники может быть разделено на системное и прикладное. Прикладным называется программное обеспечение, которое непосредственно нацелено на решение профессиональных задач пользователя, а к системному относятся все программные средства, которые играют вспомогательную (служебную) роль в процессе организации работы компьютера и управления его ресурсами. Изучению системного программного обеспечения посвящена настоящая глава.

Классификация программного обеспечения

Среди всего многообразия программ можно выделить четыре основные группы:

¿ системные программы;

¿ сервисные программы;

¿ прикладные программы;

¿ среды программирования

К системным относятся прежде всего программы, входящие составной частью в операционную систему (например, драйвера для различных устройств компьютера (от английского слова «drive» – управлять), т. е. программы, управляющие работой устройств: драйвера для сканера, принтера и т. д.).

К обслуживающим (их ещё называют сервисные или утилиты, от английского слова «utilize» – использовать) относятся программы обслуживания дисков, архиваторы, антивирусные программы и т. д.

К прикладным относятся программы, предназначенные для решения задач в различных сферах деятельности человека (бухгалтерские программы, текстовые и графические редакторы, базы данных, экспертные системы, переводчики, энциклопедии, обучающие, тестовые и игровые программы и т. д.)

К средам программирования относятся инструментальные средства для создания новых программ (ЛОГО, QuickBASIC, Pascal, Delphi и т. д.)

Инсталляция программы – этоустановка программы на персональный компьютер. Это также одно из ограничений, накладываемых при продаже программы фирмой, т.к. установка обычно требует ввода определённого кода, сообщаемого фирмой покупателю программы.

Компьютерная программа – это совокупность файлов, реже – один файл. Для установки программы следует прочесть обычно прилагаемую инструкцию по установке в файле. Запустить установку можно, щёлкнув на ярлычке или на ярлычке.

Анинсталляция программы – этообратный процесс, т.е. удаление программы. Запускается процесс щелчком на ярлычке или через Установку/удаление программ.

4.1. Операционная система

4.1.1. Понятие, основные функции и составные части операционной системы

Наверное, ни одно из существующих на настоящий момент определений понятия "операционная система" не может претендовать на универсальность и полноту. С учетом данной оговорки остановимся на следующей формулировке:
Операционная система (ОС) - это комплекс специальных программных средств, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других (пользовательских) программ, а также для планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

Важно подчеркнуть то, что операционная система - это именно комплекс

программ, неоднородный по характеру и многоплановый по уровню. Этот комплекс программ динамичен по своему составу: из него можно удалять и в него добавлять определенные части.

Та часть программ, которая взаимодействует с аппаратными средствами непосредственно и потому должна постоянно храниться в компьютере, составляет ядро операционной системы.

В частности, программное обеспечение, входящее в состав ядра, отвечает за проверку работоспособности компьютера и выполнение элементарных (базовых) операций, связанных с работой дисплея, клавиатуры, магнитных накопителей и т. п.

Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования.

Любая прикладная программа связана с операционной системой и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда (или должна быть обеспечена возможность конвертации - преобразования программ).

Очевидно, что операционная система должна храниться на внешнем запоминающем устройстве, к которому может быть обеспечен относительно

быстрый доступ.

Например, на жестком диске, или на специальном гибком диске,

который называется системным.

При включении компьютера операционная система автоматически загружается с диска в оперативную память.

Функции операционных систем.

Основная функция всех операционных систем посредническая, т.е. обеспечение:

1. обеспечение интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами ПК.
2. обеспечение интерфейса между программными и аппаратными средствами
3. обеспечение интерфейса между всеми видами программ.

10.1. Обеспечение пользовательского интерфейса.

Работа ОС как пакетный, так и диалоговый режимы. Пакетный – автоматическое исполнение последовательности команд, диалоговый - О.С. находится в ожидании команд пользователя (прерывный режим).

Виды:

- неграфический, интерфейс командной строки. Основное устройство управления – клавиатура.

- графический, взаимодействие активных и пассивных экранных элементов. Основное устройство управления – клавиатура и мышь.

10.2. Обеспечение автоматического запуска для любой О.С.

Для запуска дисковых ОС программы в BIOS обращаются к специальному программному коду.

Для недисковых ОС запуск осуществляется аппаратно.

10.3. Организация файловой системы.

Все дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы для хранения данных на дисках и обеспечения к ним доступа. Принцип организации – табличный. Наименьшая единица хранения данных – сектор. Размер сектора равен 512 байт. Группы секторов условно объединяются в кластеры, которые являются наименьшей единицей адресации к данным.

10.4. Обслуживание файловой структуры.

• Создание файлов и присвоение им имен
• Создание каталогов (папок) и присвоение им имен
• Переименование файлов и каталогов (папок)
• Копирование и перемещение файлов между дисками и каталогами одного диска.
• Удаление файлов и каталогов
• Навигация по файловой структуре с целью доступа к данному файлу, каталогу.
• Управление атрибутами файлов.

10.5. Управление установкой, исполнением и удалением приложений.

• Многозадачность ОС осуществляет возможность:
  одновременной и поочередной работы нескольких приложений
  обмена данными между приложениями
  совместного использования программных, аппаратных, сетевых и прочих ресурсов нескольких приложений.
• ОС предоставляет возможность прерывания работы приложений по желанию пользователя и снятия сбоя задачи без ущерба для работы других приложений.
• ОС устанавливает и удаляет приложения, распределяя ресурсы, обеспечивая доступ к драйверам, формируя общие ресурсы, выполняя их регистрацию.

10.6. Обеспечение взаимодействия с аппаратным обеспечением.

ОС обеспечивает это взаимодействие с помощью специальных программ-драйверов (программа взаимодействия внутренних устройств с внешними).

10.7. Обслуживание компьютера.

ОС предоставляет возможность:

• проверки дисков.
• сжатия дисков
• управления виртуальной памятью
• кэшировать диск (использование микросхем памяти в качестве вспомогательной памяти для оптимизации работы процессора).
• Резервного копирования дисков.

Операционная система MS DOS, являвшаяся до последнего времени наиболее популярным продуктом данного класса для персональных компьютеров, была создана фирмой Microsoft в 1981 г. В настоящее время существуют ее версии 6.22 и 7.0 (в составе Windows 95), а также, условно говоря, системы-дублеры других фирм-разработчиков (DR DOS, PC DOS). Начиная с 1996 г. MS DOS распространяется в составе Windows 95 - 32-разрядной многозадачной и многопоточной операционной системы с графическим интерфейсом и расширенными сетевыми возможностями.

Операционная система как расширенная машина: использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода/вывода.

Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода/вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций.

При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.

Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи, - это, конечно, операционная система.

Точно так же, как ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, операционная система берет па себя все малоприятные дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

Операционная система как система управления ресурсами: в соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования.

Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы.

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов - и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;

отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

4.1.2. Классификация операционных систем

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по

управлению процессорами,
памятью,
внешними устройствами автономного компьютера.

Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором операционные системы делят на
- многозадачные и однозадачные,
- многопользовательские и однопользовательские,
- на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее,
- на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

оддержка многозадачности.

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

однозадачные (например, MS DOS, MSX);

многозадачные (ОС ЕС, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером.

Однозадачные ОС включают средства управления переферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме выполнения вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

2. Поддержка многопользовательского режима.
По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся:

- на однопользовательские (MS DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

- многопользовательские (UNIX, Windows NT).

3. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность.
Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС.

Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

- невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

- вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

ПРИМЕЧАНИЕ

При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс.
При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

4. Поддержка многонитевости.
Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи.

Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

5. Многопроцессорная обработка.
Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мулътипроцессирование.
Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x фирмы Santa Cms Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

a. Файловые системы

4.2.1. Основные функции файловой системы

Основной задачей, которую решает файловая система, является обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода, таких как накопители на жестких дисках, магнитных лентах и т. д.

Основные функции, выполняемые файловой системой, можно условно разделить

на две группы:

функции для работы с файлами, то есть их создание, удаление, изменение атрибутов, определение структуры файлов;

функции для работы с данными, хранящимися в файлах, то есть чтение и запись, поиск и т. д.

Таким образом, в логическом плане файловую систему можно разделить на следующие составные части:

файлы, хранящиеся на устройстве ввода/вывода;

структура файлов;

функции работы с файлами и их структурой.

4.2.2. Файлы и каталоги

В разных источниках по информатике и вычислительной технике определения термина "файл" так же, как и термина "операционная система", могут варьироваться.

Наиболее распространенными являются формулировки, что "файл

- это наименьший именованный массив информации" или "файл - основная единица организации информации на носителе".

В различных файловых системах файлы описываться различными, вообще говоря, наборами параметров и характеристик.

Основным атрибутом файла является его имя.
Имя файла - это символьная строка, длинa которой зависит от конкретной файловой системы.
Так, в файловой системе FAT (File Allocation Table), используемой в MS DOS, длина имени файла не может превышать 11 символов, 3 из которых предназначены для расширения.

В ОС UNIX System V под имя файла отводится 14 символов, а в файловой системе NTFS (New Technology File System) для Windows NT - 255 символов. От файловой системы также зависит, какие символы могут использоваться в имени файла.

Поскольку существуют различные файловые системы, перед их разработчиками встает проблема обеспечения совместимости между ними. Например, система, позволяющая присваивать файлам длинные имена, должна уметь корректно преобразовывать их в короткие. Но, к сожалению, пока не удалось решить проблему пользования единственного имени файла в различных файловых системах. Это связано, в первую очередь, с различием наборов разрешенных символов в различных системах.

В некоторых системах, например UNIX, одному файлу может быть сопоставлено несколько имен. Это особенно удобно для многопользовательских систем. В таком случае необходимо адресовать файл идентификатором, который будет связывать файл и его имена. В системе UNIX таким идентификатором служит номер индексного дескриптора.

Другие атрибуты файла, которые могут использоваться файловой системой, перечислены ниже:

- текущий размер файла;

- максимальный размер файла;

- длина записи;

- времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

- владелец файла;

- создатель файла;

- информация о доступе к файлу;

- пароль для доступа к файлу;

- признак "только для чтения";

- признак "скрытый файл";

- признак "системный файл";

- признак "архивный файл";

- признак "двоичный/символьный";

- признак "временный";

- признак блокировки.

Для логической организации файлов используются каталоги. Каталог содержит файлы, объединенные по какому-либо признаку - их создатель, их тип, тема и т. д.

Каталог - это файл, который содержит информацию о входящих в него файлах.

Каталогов на носителе может быть много, и они могут иметь различные степени вложенности. Все каталоги, находящиеся на носителе, образуют иерархическую структуру.

Структура каталогов в зависимости от файловой системы может быть

древовидной, когда один файл может входить только в один каталог,
и сетевой, когда один файл может входить в различные каталоги.

Пример системы с древовидной структурой каталогов - система FAT. Сетевая структура, более подходящая для многопользовательских систем, реализована в UNIX.

В так называемых DOS-совместимых (впрочем, и в некоторых других) системах к файлу обращаются с помощью полного имени, которое состоит:

- из пути (англ. Path) - последовательности имен каталогов, в которых содержится файл, разделенных символом \ (в UNIX для этого используется символ /);

- собственно имени файла (англ. Name);

- расширения (англ. Extension), которое является необязательным элементом и, как правило, информирует о типе данных, хранимых в файле.Расширение отделяется от имени точкой (.)

В качестве примера может быть приведено следующее имя файла:

C:\DIR1\DIR2\DIR3\NAME.EXT

В различных файловых системах существуют ограничения на то, какие символы могут присутствовать в именах файлов.

4.2.3. Физическая организация данных на носителе

Физическая организация данных описывает правила расположения файлов на носителе.

Расположение файла описывается расположением принадлежащих ему

блоков.

Блоком называется наименьшая единица данных, которой устройство ввода/вывода может обмениваться с памятью.

Простейший способ расположения файла - непрерывная последовательность блоков.

Такой способ наряду со своим основным достоинством - простотой, которая позволяет адресовать файл всего лишь адресом его первого блока, имеет ряд существенных недостатков:

во-первых, во время создания файла системе может быть не известен его размер, то есть система не знает, сколько места на носителе надо зарезервировать;

во-вторых, неизбежна сильная фрагментация носителя.

Для устранения этих недостатков могут использоваться связанные блоки. В таком случае блок помимо данных содержит ссылку на следующий блок и т. д.

Основным недостатком такого способа является то, что программа не может непосредственно обратиться к произвольному участку файла, и чтобы прочитать, пример, последний блок, необходимо последовательно обратиться ко всем блокам файла. Недостатком такого способа организации данных является также то, что информация, хранящаяся в блоке данных, теряет однородность, так как содержит не только данные файла, но и служебную информацию.

Решить эти проблемы может использование связанного списка индексов, что делается, например, в MS DOS. При такой организации данных нет необходимости сматривать все данные для чтения последнего блока файла, достаточно просмотреть таблицу индексов. При этом сохраняется однородность данных, хранящихся в блоке, так как служебная информация хранится в отдельной области, полагающейся, в случае жесткого диска, на внутренних дорожках, что обеспечивает быстрый доступ к ней.

Перечисленные способы физической организации файлов на носителе схематично изображены на рис. 4.1.

Рис. 4.1 .Способы физической организации файлов

4.2.4. Права доступа к файлу

В многопользовательских системах доступ к файлу разных пользователей должен разграничен, то есть операции с определенными файлами или каталогами должны быть разрешены для одних пользователей и запрещены для других. Это касается операций как с данными, так и с их структурой.

В общем случае система разграничения доступа использует матрицу доступа, столбцы в которой соответствуют файлам системы, а строки - пользователям. На пересечении описываются операции, которые данный пользователь может производить с данным файлом или каталогом.

Для облегчения администрирования некоторые системы позволяют описывать правила доступа для групп пользователей, тогда правила, установленные для группы, действуют для всех входящих в нее пользователей. Системой может быть предоставлена возможность включения одного пользователя в разные группы, а также описания правил как для групп, так и для отдельных пользователей, что позволяет гибко разграничивать доступ к файлам.

4.2.5. Другие функции файловых систем

Помимо функций, обеспечивающих основные операции с файлами, файловая система может предоставлять некоторые оптимизирующие функции. Основные из этих функций - кэширование диска и отображение файла в память.

Кэширование диска служит для ускорения доступа к наиболее часто используемым данным. При запросе данных система сначала ищет их в буфере, располагающемся на носителе с более высокой скоростью доступа. Если требуемые данные не найдены в буфере, они читаются с диска и заносятся в буфер. По мере наполнения буфера из него удаляются наиболее редко используемые данные.

Отображение файла в память заключается в создании образа файла, организованного как память, то есть представляющего собой непрерывную последовательность байтов. Это упрощает доступ к произвольному участку файла и в целом повышает скорость выполнения основных операций с данными.

4.2.6. файловые системы FAT16, FAT32

В качестве примера файловых систем мы рассмотрим FAT16 и FAT32. В сфере персональных компьютеров в 1987 г. возник кризис. Возможности файловой системы FAT, разработанной фирмой Microsoft за десять лет до этого для интерпретатора Standalone Disk Basic и позднее приспособленной для операционной системы DOS, были исчерпаны. FAT предназначалась для жестких дисков емкостыо не свыше 32 Мбайт, а новые НЖМД (накопители на жестких магнитных большей емкости оказывались совершенно бесполезными для пользователей PC. Некоторые независимые поставщики предлагали собственные способы решения этой проблемы, однако лишь с появлением DOS 4.0 этот кризис был (на некоторое время!) преодолен.

Значительные изменения структуры файловой системы в DOS 4.0 позволили операционной системе работать с дисками емкостью до 128 Мбайт; а после внесения незначительных дополнений впоследствии этот предел был поднят до 2 Гбайт. В то время казалось, что такой объем памяти превышает любые мыслимые потребности. Однако если история персональных компьютеров чему-то и научила, тому, что емкость, "превышающая любые мыслимые потребности", быстро становится "почти недостаточной для серьезных работ". Действительно, в настоящее время в продаже имеются жесткие диски емкостью, как правило, 2,5 Гбайт и выше, а когда-то очень высокий и избавивший нас от ограничений потолок в 2 Гбайт превратился в еще одно препятствие, которое предстояло преодолеть.

Для систем Windows 95 фирма Microsoft разработала новое расширение системы FAT-FAT32.

Области диска

Файловая система FAT предусматривает ряд специальных областей на диске, выделенных для организации пространства диска в процессе его форматирования, - головную запись загрузки, таблицу разбиения диска, запись загрузки, иду размещения файлов (от которой система и получила свое название) и корневой каталог. На физическом уровне пространство диска разбивается на области по 512 байт, называемые секторами. В системе FAT место для файлов выделяется блоками, которые состоят из целого числа секторов и именуются кластерами.

Число секторов в кластере должно быть кратно степени двойки. В Microsoft кластеры называют единицами выделения памяти (allocation unit). Обычно кластера можно определить, поделив объем памяти диска на 64 Кбайт 536 байт) и округлив результат до ближайшего числа, кратного степени двойки. Так, размер кластеров 1,2-гигабайтного диска составляет 32 Кбайт: если 1,2 Гбайт (1258291,2 Кбайт) поделить на 65 536, получим 19,2 Кбайт, а после округления - 32 Кбайт.

Цепочка FAT