Функции и виды операционных систем
Как было сказано ранее, операционная система представляет собой комплекс системных и служебных программных средств, обеспечивающий организацию вычислительного процесса, обеспечивая работу прикладных и большинства служебных приложений.
Приложениями,следовательно,являютсяпрограммы, предназначенные для работы под управлением данной ОС, а основная функция всех операционных систем – посредническая и заключаются в обеспечении различных видов взаимодействий (интерфейса). Набор и способ реализации этих функций, в частности и определяет главные различия между конкретными ОС. Современные операционные системы обеспечивают:
· взаимодействия между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).
· взаимодействия между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
· взаимодействия между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
Соответственно каждая ОС состоит, как минимум, из трех обязательных частей.
Первая — ядро, командный интерпретатор, «переводчик» с языка команд управления принятого в ОС на язык машинных кодов, дешифратор и исполнитель команд, которые посылают другие программы.
Вторая - специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера. Такие программы-драйверы управляет всеми подключенными к компьютеру устройствами, и обеспечивают доступ к ним другим программам. Сюда же относятся так называемые «системные библиотеки», используемые как самой операционной системой, так и входящими в ее состав программами.
Третья часть - удобная оболочка, с которой общается пользователь, работающий на компьютере, – собственно интерфейс пользователя.
Виды интерфейсов пользователя
По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно редактировать. Исполнение команды начинается после ее подтверждения, например нажатием клавиши ENTER.
В частности, для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивался семейством операционных систем MS-DOSразличных версий.
Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши-устройства.
В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложениями (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие). В настоящее время графический интерфейс неизменный атрибут любой операционной системы, знакомый пользователям начиная с появления MS Windows.
Файловая структура ОС
Независимо от того включен компьютер или нет все данные и программы хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов – откуда они загружаются в процессе выполнения или обработки.
Файл представляет собой некоторый набор кодов, отображающих определенное количество информации связанной типом или назначением, которому присвоено уникальное имя, и который хранится в долговременной памяти.
В форме файлов могут храниться исходные тексты программ, готовые к выполнению программы, документы, графические изображения и любые другие данные. По типу организации и содержанию файлы разделяются на две категории – текстовые и двоичные (бинарные). Текстовые файлы в соответствии с назначением хранят строки символов интерпретируемые как тексты. Исполняемые файлы состоят из программных кодов готовых к исполнению программ.
Уникальные имена обеспечивают возможность упорядочивания файлов и обеспечения доступа к ним операционной систем и других программ. Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственноимя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и т. д.). Имя файлу присваивает пользователь (иногда система по умолчанию). Тип файла обычно задается программой автоматически при его создании, что позволяет в большинстве случаев автоматизировать запуск программ. Например, .com, .exe – исполняемые файлы (программы), .txt, .rtf .doc – текстовые файлы, .pas – исходный текст программы, написанной на языке Pascal .
Для упорядочения размещения файлов на дисках их имена регистрируются в специальных файлах – каталогах (в современных ОС эти файлы называют папками). Каталог это файл–таблица (хранящаяся на том же диске, где и файлы), в которой хранятся имена файлов, сведения об их размере, времени последнего обновления, атрибуты (свойства) файла и т.д. Если в каталоге хранится имя файла, то нередко говорят, что файл «находится» в данном каталоге. В действительности файл располагается (сохраняется) в некоторой области памяти на диске компьютера, зачастую в виде нескольких частей, фрагментов на разных дорожках и дисках пакета (на свободных участках носителя). Соответствующая информация содержатся в каталоге.
На каждом диске может быть много каталогов – их число определяется целесообразностью и ограничивается только емкостью диска. Это касается и количества файлов в каталоге. Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для упорядочения хранения данных 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. 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).
Порядок хранения файлов на диске определяется организацией файловой системы (организации каталогов и способа описания в них размещения и атрибутов файлов).
На дисках хранятся сотни тысяч файлов, поэтому для удобства поиска файлы организуются в форме многоуровневой файловой системы, которая имеет показанную на рисунке структуру.
Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь в каждом из них бывают вложенные каталоги 2-го уровня и т. д. Каждый каталог имеет имя (без расширения), и он может быть зарегистрирован в другом, родительском каталоге. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться не только каталоги, но и файлы.
Несмотря на то, что данные о местоположении файлов в действительности хранятся в табличной форме, для удобства пользователя они представляются в виде иерархической древовидной структуры, а все необходимые связи обеспечивает операционная система.
К функциям обслуживания файловой системы относятся следующие операции, выполняемые под управлением операционной системы:
· создание файлов и присвоение им имен;
- создание каталогов и присвоение им имен;
- переименование файлов и каталогов;
- копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами одного диска;
- удаление файлов и каталогов;
- навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу или каталогу;
- управление атрибутами файла.
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА MS DOS
Операционная система MS DOS являлась сначала единственной, а затем одной из самых распространенных систем управления работой компьютеров. Эта диалоговая система была предназначена для работы с одним пользователем, имеет файловую структуру хранения программ и данных и обеспечивает пользователю широкие возможности взаимодействия с техническими средствами. Семейство операционных систем, объединенных под именем MS DOS, обеспечено огромным набором программ для различных областей человеческой деятельности. В это число входят, в частности, инструментальные средства для разработки системного и прикладного программного обеспечения, разнообразные пакеты прикладных программ, трансляторы для большинства языков программирования. Несмотря на появление мощных и удобных операционных систем, MS DOS не потеряла своего значения и используется при работе на аппаратном уровне. В данном пособии приведено краткое описание этой системы призванное ознакомить пользователя с основами управления компьютером, которые полностью замаскированы графическим интерфейсом современных ОС.
В состав MS DOS входят три основные подсистемы, содержащиеся в файлах с соответствующими именами:
- программа для организации взаимодействия с базовой системой ввода-вывода (под именем IO.SYS);
- собственно операционная система, организующая взаимодействие с пользователем и его программами (содержит программы поддержки файловой системы, управления обменом информацией с дисками, реализации "встроенных" - т.е. доступных для пользовательских программ, операций). Хранится в файле с именем MSDOS.SYS;
- командный процессор - файл COMMAND.COM, обеспечивающий расшифровку и выполнение команд.
Указанные подсистемы располагаются на магнитном диске, откуда они при необходимости могут быть загружены в оперативную память. При включении компьютера или при перезагрузке системы в оперативную память с диска в первую очередь переписывается компонента операционной системы, называемая программой начальной загрузки.
Получив управление, эта программа просматривает оглавление диска, с которого сама была загружена, и проверяет, являются ли первые два файла файлами IO.SYS и MSDOS.SYS. Если это не так, то программа выводит на экран сообщение о невозможности осуществить загрузку, поскольку диск является "несистемным".
Если файлы обнаружены, то обе программы загружаются в память, и управление получает модуль IO.SYS. Компонента этого модуля, называемая программой инициализации, проверяет состояние и состав оборудования данной ПЭВМ, подготавливает к работе операционную систему и подключенные к машине устройства (загружая их драйверы - системные программы для управления работой внешних устройств) и т.д. Работа программы инициализации завершается выполнением настройки адресов ядра MS DOS (часть программ файла MSDOS.SYS, которые будут находиться в оперативной памяти в течение всего времени работы машины) и передачей этому ядру управления работой ПЭВМ.
Программы, входящие в ядро, инициализируют внутренние рабочие таблицы системы, создают управляющие таблицы и возвращают управление модулю взаимодействия с базовой системой ввода-вывода (модуль IO.SYS). Указанные таблицы позволяют настроить работу операционной системы с данной конфигурацией технических и программных средств, причем пользователь с ними в явном виде не взаимодействует и может не знать об их существовании.
Программа IO.SYS завершает процесс начальной загрузки системы путем размещения в оперативной памяти машины командного процессора (файл COMMAND.COM), начиная с адреса, указанного программой инициализации при настройке адресов ядра, и передачи управления этой программе.
Модуль IO.SYS резидентен в памяти (т.е. постоянно находится там), поскольку именно эта часть MS DOS непосредственно взаимодействует с внешними устройствами, определяет допустимые конфигурацию и характеристики этих устройств и обеспечивает весь набор операций для связи с дисками и устройствами ввода-вывода информации.
Завершая краткий обзор процесса загрузки, отметим принятую в системе по умолчанию последовательность поиска указанных выше файлов на внешних устройствах. Магнитные диски и другие носители, на которых размещаются эти файлы, получают логические имена в форме первых букв латинского (A, B, C и т.д.) алфавита.
Изначально в состав машины входил один накопитель на гибком магнитном диске - НГМД (он получал логическое имя «А:»). Сейчас эти носители практически не используются, а в последних моделях такие устройства отсутствуют вообще (хотя в дереве директорий имя А: по-прежнему есть). Основные устройства внешней памяти представлены одним - двумя накопителями большой емкости (на несменяемых "жестких" дисках). При такой конфигурации оборудования имена дисков назначаются по следующему правилу :
- НГМД на гибких дисках получают логические имена А: и В: ;
- накопители на жестком диске получают логические имена С: , D: , и т.д.
Поскольку современные накопители на жестком диске имеет очень большую емкость их пространство памяти обычно разделяют на несколько логических дисков с именами С:, D:, E: и т.д.
Порядок обращения к дискам устанавливается в BIOS и при загрузке, после включения машины или перезагрузке в процессе работы, процессор сначала ищет системные файлы на устройстве указанном в списке BIOS первым. При такой настройке, если соответствующий диск отсутствует, операционная система обратится к следующему по списку источнику. Поскольку системные файлы хранятся именно на жестким диске, в BIOS в качестве первого (загрузочного), указывается диск с именем С:, получающий это имя по умолчанию.
Когда процесс начальной загрузки завершен, пользователь получает доступ к ресурсам операционной системы, сосредоточенным в её резидентных программах - ядре и командном процессоре. Ядро системы обеспечивает файловую организацию размещения информации на магнитных дисках, управляет работой дисководов, распределяет физическое пространство носителей информации, создает соответствующие справочники и работает с ними. Командный процессор организует взаимодействие пользователей с системой на языке команд MS DOS. Процессор анализирует введенные пользователем с клавиатуры команды и, если они оказываются допустимыми для данной версии системы, выполняет их непосредственно (если они адресованы к резидентным программам) либо загружает в оперативную память соответствующую введенной команде программу и передает ей управление (так называемые внешние команды).
Обычно в качестве встроенных (резидентных) выступают команды, реализующие возможности системы, к которым пользователи вынуждены обращаться особенно часто. Благодаря резидентности в памяти программ реализующих такие команды, процессор выполняет их сразу после ввода, не обращаясь к дополнительным ресурсам системы.
При выполнении внешних команд командный процессор предварительно обращается к магнитному диску, загружая хранящуюся там, в виде файла, программу реализации данной команды в оперативную память. Очевидно, что список внешних команд, в отличие от списка внутренних команд, не является фиксированным и может дополняться пользователями по мере разработки ими новых программ.
Основным способом ввода необходимых команд (синтаксис команд MS DOS будет подробно рассмотрен позже) был предусмотрен набор этих команд на экране дисплея с помощью клавиатуры ЭВМ. Оговорим сразу правило, согласно которому, любая командная строка MS DOS считается командным процессором завершенной только после получения им сигналов "ввод" или "возврат каретки", которые генерируются в результате нажатия пользователем клавиш [Enter] или [Return] соответственно. До нажатия этих клавиш набираемый на экране текст команды никак не воспринимается, и пользователь имеет возможность менять его необходимым образом (например, при обнаружении ошибок в тексте команды).
После набора и ввода команды (часто это просто набор на экране имени этой команды и нажатие клавиш Enter или Return) командный процессор проверяет по внутренним таблицам, не входит ли она в число внутренних. Если команда к внутренним не относится, процессор просматривает оглавление "текущего" диска (т.е. диска, с которым работает в данный момент) для поиска программы с соответствующим именем.
Если программный файл с именем, соответствующим введенной команде, на диске есть, то программа загружается в оперативную память и получает управление (т.е. начинает выполняться, и получает доступ к необходимым ей ресурсам программных и технических средств). Если необходимого файла на диске нет, то пользователь видел на экране сообщение об ошибке:
Bad command or file name
либо текст “Неверное имя команды или файла” – в случае “русифицированной “ версии системы. Поскольку сообщения на русском языке не требуют пояснений, в дальнейшем подобные ответы системы будут приводиться на английском языке.
Очевидно, что в случае получения сообщения об ошибке следует проверить структуру введенной команды и, если она верна, убедиться в присутствии на диске соответствующего программного файла.
Кроме рассмотренного, в MS DOS используются ещё два способа ввода команд управления работой программ. Первый из них является расширением возможностей рассмотренного выше непосредственного ввода и заключается во включении списка необходимых пользователю команд системы в так называемый командный файл. В состав такого файла могут входить как обычные команды MS DOS, так и специальные команды языка командных файлов, позволяющие управлять порядком (последовательностью) выполнения входящих в такой файл внутренних и внешних команд операционной системы.
Благодаря этому можно создавать достаточно сложные структуры, позволяющие автоматизировать выполнение необходимых пользователю последовательностей действий и избавляющие его от необходимости вводить соответствующие наборы команд вручную. Для запуска такого командного файла пользователю достаточно указать его имя в командной строке системы, т.е. инициировать его работу так же, как это делается при запуске обычных команд MS DOS.
Второй способ был связан с развитием, так называемых, операционных оболочек - специальных программных средств упрощения взаимодействия пользователя с программными и аппаратными средствами современных ПЭВМ. Основная особенность этих средств заключается в том, что пользователь, войдя в такую оболочку, запускает необходимые ему действия не путем ввода команд, а просто выбирает их из предлагаемого ему набора, содержащегося в выводимом на экран меню.
Обращение к каким-либо возможностям, предлагаемым меню, может вызвать на экран другие меню (подменю) и т.д. - в зависимости от сложности решаемой задачи. Следуя указаниям, содержащимся в меню, пользователь выбирает порядок необходимых действий машины.
Очевидным преимуществом такой организации работы является существенное расширение круга лиц, получающих возможность работать с ПЭВМ в MS DOS, за счет существенного снижения требований к начальной подготовке пользователей.