Операционные системы

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. Точная граница между драйверами и программами, независимыми от устройств, определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам [4].

Типичными функциями слоя операционной системы, независимого от устройств, являются:

– обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств;

– именование устройств;

– защита устройств;

– обеспечение независимого размера блока;

– буферизация;

– распределение памяти на блок-ориентированных устройствах;

– распределение и освобождение выделенных устройств;

– уведомление об ошибках.

Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения неудобно работать с блоками разной величины, поэтому данный слой обеспечивает единый размер блока, например, за счет объединения нескольких различных блоков в единый логический блок. В связи с этим верхние уровни имеют дело с абстрактными устройствами, которые используют единый размер логического блока независимо от размера физического сектора.

При создании файла или заполнении его новыми данными необходимо выделить ему новые блоки. Для этого ОС должна вести список или битовую карту свободных блоков диска. На основании информации о наличии свободного места на диске может быть разработан алгоритм поиска свободного блока, независимый от устройства и реализуемый программным слоем, находящимся выше слоя драйверов.

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит значительное число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг – это способ работы с выделенными устройствами в многозадачной системе. Одно из  типичных устройств, требующих спулинга, – принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс-монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.

Запись или чтение большого количества информации из адресного пространства ввода-вывода (например, с диска) приводят к большому количеству операций ввода-вывода, которые должен выполнять процессор. Для освобождения процессора от операций последовательного вывода данных из оперативной памяти или последовательного ввода в нее был предложен механизм прямого доступа внешних устройств к памяти – ПДП или DMA (Direct Memory Access). Суть работы этого механизма заключается в следующем. Для того чтобы какое-либо устройство, кроме процессора, могло записать информацию в память или прочитать ее из памяти, необходимо чтобы это устройство могло забрать у процессора управление локальной магистралью для выставления соответствующих сигналов на шины адреса, данных и управления. Для централизации эти обязанности обычно возлагаются не на каждое устройство в отдельности, а на специальный контроллер – контроллер прямого доступа к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти имеет несколько спаренных линий – каналов DMA, которые могут подключаться к различным устройствам. Перед началом использования прямого доступа к памяти этот контроллер необходимо запрограммировать, записав в его порты информацию о том, какой канал или каналы предполагается задействовать, какие операции они будут совершать, какой адрес памяти является начальным для передачи информации и какое количество информации должно быть передано. Получив по одной из линий – каналов DMA – сигнал запроса на передачу данных от внешнего устройства, контроллер по шине управления сообщает процессору о желании взять на себя управление локальной магистралью. Процессор (возможно, через некоторое время, необходимое для завершения его действий с магистралью) передает управление магистралью  контроллеру DMA, известив его специальным сигналом. Контроллер DMA выставляет на адресную шину адрес памяти для передачи очередной порции информации и по второй линии канала прямого доступа к памяти сообщает устройству о готовности магистрали к передаче данных. После этого, используя шину данных и шину управления, контроллер DMA, устройство ввода-вывода и память осуществляют процесс обмена информацией. Затем контроллер прямого доступа к памяти извещает процессор о своем отказе от управления магистралью, и тот берет руководящие функции на себя. При передаче большого количества данных весь процесс повторяется циклически.

При прямом доступе к памяти процессор и контроллер DMA по очереди управляют локальной магистралью. Это, конечно, несколько снижает производительность процессора, так как при выполнении некоторых команд или при чтении очередной порции команд во внутренний кэш он должен дожидаться освобождения магистрали, но в целом производительность ВМ существенно возрастает.

При подключении к системе нового устройства, которое умеет использовать прямой доступ к памяти, обычно необходимо программно или аппаратно задать номер канала DMA, к которому будет приписано устройство. В отличие от прерываний, где один номер прерывания может соответствовать нескольким устройствам, каналы DMA всегда находятся  в монопольном владении устройств [4].

Управление файлами и файловая система

         Под  файлом обычно понимают набор  данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие системы управления файлами. Возможность иметь дело с логическим уровнем структуры данных и операций, выполняемых над ними в процессе их обработки, предоставляет файловая система. Таким образом, файловая система – это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-нибудь ином носителе данных.

Следует различать файловую систему и систему управления файлами. Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС (хотя в принципе можно обходиться и без нее). Во-первых, через систему управления файлами связываются по данным все системные обрабатывающие программы. Во-вторых, с помощью этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными. В-третьих, благодаря использованию той или иной системы управления файлами пользователям предоставляются следующие возможности:

– создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных наборов данных (именованных файлов) из своих программ или посредством специальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его данными и активно использующих систему управления файлами;

– работа с не дисковыми  периферийными устройствами как с файлами;

– обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством (и наоборот);

–  работа с файлами с помощью обращений к программным модулям системы управления файлами;

–  защита файлов от несанкционированного доступа.

В некоторых ОС может быть несколько систем управления файлами, что обеспечивает им возможность работать с несколькими файловыми системами. Очевидно, что системы управления файлами, будучи компонентом ОС, не являются независимыми от этой ОС, поскольку они активно используют соответствующие вызовы прикладного программного интерфейса API (application  program interface). С другой стороны, системы управления файлами сами дополняют API новыми вызовами. Можно сказать, что основное назначение файловой системы и соответствующей ей системы управления файлами – организация удобного доступа к данным, организованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Другими словами, термин «файловая система» определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным в файлы. Этот же термин часто используют и по отношению к конкретным файлам, расположенным на том или ином носителе данных. А термин «система управления файлами» следует употреблять по отношению к конкретной реализации файловой системы. То есть система управления файлами – это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной системе [4].

Любая система управления файлами не существует сама по себе – она разработана для функционирования в конкретной ОС.  То есть, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствующая система управления файлами. Эта система управления файлами будет работать только в той ОС, для которой она и создана. Но при этом она позволит работать с файлами, созданными с помощью системы управления файлами другой ОС и организованными в файловую систему по тем же основным принципам.

Для того чтобы можно было загрузить с магнитного диска собственно саму ОС, а уже с ее помощью и организовать работу той или иной системы управления файлами, были приняты специальные системные соглашения о структуре диска. Информация на магнитных дисках размещается и передается блоками. Каждый такой блок называется сектором (sector), секторы расположены на концентрических дорожках поверхности диска. Каждая дорожка (track) образуется при вращении магнитного диска под зафиксированной в некотором предопределенном положении магнитной головкой чтения-записи (head). Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) содержит один или более дисков. Обычно под термином «жесткий диск» понимают весь пакет магнитных дисков. Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенных на поверхностях разных магнитных дисков, образуют так называемые цилиндры (cylinder).

Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации, ограничивающей и идентифицирующей его. Размер сектора (точнее – емкость поля данных) устанавливается контроллером или драйвером. Физический адрес сектора на магнитном диске определяется с помощью трех «координат», то есть представляется триадой [c–h–s], где с – номер цилиндра (дорожки на поверхности диска), h – номер рабочей поверхности диска (магнитной головки),  s – номер сектора на дорожке. Номер цилиндра  лежит в диапазоне 0 . . . С–1, где С – количество цилиндров. Номер рабочей поверхности диска  находится в диапазоне 0 . . . Н–1, где Н – число магнитных головок в накопителе.  Номер  сектора  на  дорожке  определяется в диапазоне 1 . . . S, где S – количество секторов на дорожке. Например, триада  [1–0–2] адресует сектор 2 на рабочей поверхности 0 цилиндра 1.

Обмен информацией между оперативной памятью и дисками физически осуществляется только секторами. Вся совокупность физических секторов на НЖМД представляет его так называемую неформатированную емкость.

 Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition), которые затем могут использоваться либо одной ОС, либо различными ОС. Причем в каждом разделе может быть организована своя файловая система. Однако для организации даже единственной файловой системы необходимо определить, по крайней мере, один раздел.

Разделы диска могут быть двух типов – primary (обычно этот термин переводят как первичный) и extended (расширенный). При этом на диске обязательно должен быть по крайней мере один primary-раздел. Если primary-разделов несколько, то только один из них может быть активным. Именно загрузчику, расположенному в активном разделе, передается управление при включении ВМ и загрузке ОС.

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времени эти границы были весьма узкими. Современные файловые системы, как правило, поддерживают длинные символьные имена файлов. При переходе к длинным именам возникает проблема совместимости с ранее созданными приложениями, использующими короткие имена. Чтобы приложения могли обращаться к файлам в соответствии с принятыми ранее соглашениями, файловая система должна уметь предоставлять эквивалентные короткие имена (псевдонимы) файлам, имеющим длинные имена. Таким образом, одной из важных задач становится проблема генерации соответствующих коротких имен.

Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена. В этом случае файл однозначно идентифицируется так называемым составным именем, представляющем собой последовательность символьных имен каталогов. В некоторых системах одному и тому же файлу не может быть дано несколько разных имен, а в других такое ограничение отсутствует. В последнем случае операционная система присваивает файлу дополнительно уникальное имя, так, чтобы можно было установить взаимнооднозначное соответствие между файлом и его уникальным именем. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и используется программами операционной системы.

Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.

Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют ASCII-коды, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов – их собственные исполняемые файлы.