Организация файловой системы

Все дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для управления размещением данных на диске и обеспечения доступа к ним. Принцип организации ФС табличный. Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндров, секторов. Под цилиндром понимают совокупность всех дорожек, принадлежащим разным поверхностям и находящимся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте записан файл, находятся в FAT таблице. На диске хранятся 2 FAT таблицы: основная и её дубль.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор – 512 байт. Для дисков более 32 Мбайт обращение ко всем секторам невозможно, поэтому сектора объединяются в кластера. Кластер – минимальная единица пространства диска, которое может быть отведено файлу.

В ОС MS DOS, OS/2, Windows 95, Windows NT 16 разрядные поля в FAT таблицах. Для дисков 1-2 Гбайта длина кластера 32 Кбайта (64 сектора). Более 2 Гбайт FAT 16 работать не может. В Windows 98 FAT 32. Для дисков до 8 Гбайт размер кластера 4 Кбайта (8 секторов).

Пользователю файловая структура представляется в виде иерархической структуры.

На каждом магнитном диске может быть несколько каталогов, в каждом из которых могут быть другие каталоги, которые называются подчиненными или подкаталогами. На каждом дисковом носителе имеется главный “корневой” каталог, в нем содержатся файлы и каталоги 1-го уровня, в которых в свою очередь находятся каталоги 2-го уровня и т.д. Получается иерархическая древообразная структура каталогов. Корневой каталог имени не имеет.

К функциям обслуживания файловой структуры относятся:

1. Создания файлов и присвоение им имен.

2. Создания каталогов (папок) и присвоение им имен.

3. Переименование файлов и каталогов (папок).

4. Копирование и перемещение файлов между дисками и каталогами (папками).

5. удаление файлов и каталогов (папок).

6. навигация по файловой структуре.

7. управление атрибутами файлов.

Файл – это единица хранения данных. Файл - это место постоянного хранения информации (именованная последовательность байтов на диске произвольной длины). В файлах может храниться любая информация (текстовая, графическая, программа и т.д.). Файл не требует для своего размещения непрерывного пространства. В этом случае говорят, что файл фрагментирован.

Имя файла образуется из двух частей: имени и типа (расширения), разделяемых знаком “точка”. Различают «короткое» и «длинное» имя файла.

По соглашению в MS DOS имени файла используется от 1 до 8 символов. Тип может состоять из 1-3 символов. Тип – не обязателен. Могут включать в себя алфавитно-цифровые символы и спец. символы. Запрещено использовать зарезервированные имена: LPT, COM, NULL, PRN, CON и др.

В Windows 95 было введено «длинное» имя до 255 символов. (кроме символов / \ : * “ < >). Можно ставить пробелы и точки.

Имеются ограничения:

1. В корневой папке не должно быть длинных имен, так как размер ее ограничен.

2. Полное имя файла не более 260 символов.

Расширение имени несет информацию для ОС, поэтому многие приложения имеют свои стандартные расширения и требуют задать только имя.

Существуют стандартные типы файлов:

*.Exe, *.com - указывают на исполнимые файлы (готовые к выполнению программы);

*.Bat – командные файлы;

*.Bak – резервные копии файлов;

*.Sys – системные файлы;

*.C – программы на Си;

*.Doc – файлы текстового процессора Word под Windows;

Файлы можно объединять в группы с помощью маски (шаблона).

Шаблон имени файла – специальная форма, в которой в полях имени и типа файла используются символы * или ?. Символы * - заменяет в имени все символы, ? – один символ или его отсутствие.

Имена файлов регистрируются в каталогах (директориях).

Каталог – это файл, в котором содержится информация о файлах и подкаталогах находящихся в этом каталоге (имена, объем, время и дата создания, стартовый адрес). Каталоги позволяют упорядочить содержащиеся на дисках файлы. Имена каталогам присваиваются также как и файлам.

В Windows 95 появилось понятие папка – это логическая структура, которой не соответствует ни один каталог диска. Папка может содержать ярлыки программ и папок.

В файловой структуре адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту.

Путь – это цепочка соподчиненных каталогов, которую необходимо пройти по иерархической структуре к каталогу, где зарегистрирован искомый файл. При задании пути имена каталогов записываются в порядке следования и отделяются друг от друга символом \.

Полный путь к файлу: [накопитель:] [\каталоги\] имя файла

Накопитель –имя диска (жесткого С: и т.д. или гибкого А:, В:)

Характеристики файлов:

· Полное имя

· Объем в байтах

· Дата создания

· Время создания

· Специальные атрибуты

Примеры операционных систем

Операционная система определяет общие правила запуска программ, управления данными и доступа к ресурсам компьютера.

Наиболее широко распространенной и универсальной операционной системой для большинства типов ЭВМ с начала 1970-х годов является многозадачная и многопользовательская операционная система UNIX, разработанная компанией Bell Labs, подразделением AT&ampT. UNIX существует в десятках версий для компьютерных систем различных производителей.

Многозадачность предоставляет возможность одновременной (параллельной) работы с несколькими приложениями.

Многопоточность означает способность организовать одновременную обработку нескольких потоков. Например, в текстовом редакторе Word могут одновременно выполняться автоматическая проверка орфографии и редактирование документа.

Первой широко распространенной операционной системой для 8-разрядных персональных компьютеров, основанных на микропроцессоре Intel 8080, стала в 1970-е годы система CP/M-80 фирмы Digital Research.

Основной операционной системой компьютеров IBM PC и совместимых с ними, изначально основанных на микропроцессоре Intel 8088, а в дальнейшем — на последующих моделях микропроцесссоров Intel, стала (с 1981 г.) MS-DOS фирмы Microsoft. Существовали операционные системы, совместимые с MS-DOS, такие, как PC-DOS фирмы IBM, DR-DOS фирмы Digital Research (впоследствие стала продуктом фирмы Novell под маркой Novell DOS).

Попыткой уйти от стандарта MS-DOS была совместно разработанная фирмами Microsoft и IBM операционная система OS/2 (1987 г.). С 1990 года фирма Microsoft отошла от разработки OS/2 и полностью сконцентрировалась на линии операционных систем Windows, которые являются в настоящее время весьма популярными. OS/2 остается продуктом IBM и продолжает развиваться этой фирмой.

Операционная система Microsoft DOS

В настоящее время MS-DOS (Microsoft Disk Operatting System - "дисковая операционная система фирмы Microsoft) остается самой популярной в мире операционной системой для IBMPC-совместимых персональных компьютеров. Ее поставки начались в 1981 году вместе с компьютерами IBM PC (под названием PC—DOS). Многие черты MS—DOS были унаследованы от операционной системы CP/M—80 фирмы Digital Research, применявшейся в 8—разрядных персональных компьютерах.

Операционная система MS—DOS позволяет использовать программное обеспечение, созданное для MS—DOS, и предоставляет пользователю ряд возможностей по работе с файлами данных, их организации в каталоги и использованию устройств ввода-вывода. MS—DOS является однозадачной однопользовательской операционной системой, работающей в реальном режиме микропроцессоров x86, использующей 640 Кбайт памяти компьютера и поддерживающей сравнительно простую файловую систему (File Allocation Table, FAT). Изначально MS—DOS ориентирована на работу с микропроцессорами 8086 и 8088, имевшими только один режим работы — так называемый реальный. Защищенный режим работы микропроцессоров Intel 80286 и выше (с адресацией до 16 Мбайт памяти) могут использовать только некоторые драйверы MS—DOS, с виртуальной памятью система не работает.

Самой совершенной версией операционной системы MS—DOS, выпущенной отдельно, является MS—DOS 6.22 (1994 г.).

Для использования системой —MSDOS диск должен быть не только размечен на стандартные сектора и дорожки. При форматировании дисков в системе MS—DOS на них записывается стандартная служебная информация, необходимая для работы, и создаются структуры данных, входящие в системную область диска.

Системной областью диска в MS—DOS называется служебная область, в которой не могут храниться файлы данных. Системная область состоит из трех частей: загрузочной записи, таблицы размещения файлов и корневого каталога.

Загрузочная запись (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Она содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.

Таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT) находится после загрузочного сектора и содержит описание физического расположения всех файлов на диске; за FAT следует ее точная копия — такое дублирование повышает надежность хранения данных на диске. Таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT) — это список кластеров диска. Кластер — это единица выделения дискового пространства, некоторое количество секторов, число которых равно степеням числа 2. Каждый файл в FAT охарактеризован цепочкой цифр — порядковых номеров его кластеров на диске.

Корневой каталог (Root Directory) всегда находится за копией FAT, и количество записей в нем никогда не превышает определенной величины, а именно: 112 на дискетах двойной плотности, 224 на дискетах высокой плотности и 512 на жестких дисках.

Все логические тома хранятся под общей физической “обложкой” одного жесткого диска. Информация о разбиении на тома фиксируется в самом первом физическом секторе диска, то есть в секторе 1 дорожки 0 стороны 0, в главной загрузочной записи (Master Boot Record).

Загрузочный код из загрузочной записи диска считывается программой начального загрузчика ROM BIOS (записанной на ПЗУ базовой системы ввода-вывода) компьютера и получает управление после включения компьютера. Загрузочная программа определяет, являются ли первые два файла на диске файлами IO.SYS и MSDOS.SYS (в системе MS—DOS). Если это так, то происходит загрузка операционной системы MS—DOS, в противном случае загрузочная программа выводит на дисплей сообщение о том, что диск не является системным. Для успешной загрузки —MSDOS также необходим исполняемый файл командного процессора, по умолчанию — COMMAND.COM.

Составные компоненты DOS:

1. базовая система ввода-вывода BIOS - встроена в персональный компьютер и находится в ПЗУ. Функции BIOS:

а) автоматическое тестирование основных аппаратных компонентов при включении персонального компьютера или самотестирование (осуществляется сразу же при включении). Наибольшая часть времени тестирования расходуется на тестирование оперативной памяти;

б) вызов блока начальной загрузки операционной системы. BIOS ищет на системном диске блок начальной загрузки (загрузчик), передает ему управление, и тот осуществляет загрузку основных модулей операционной системы. Системным диском может быть как гибкий, так и или жесткий диск. Сначала BIOS ищет загрузчик на гибком диске (обращается к дисководу), если не находит – обращается к жесткому диску;

в) обслуживание прерываний. BIOS обслуживает прерывания, которые требуют специального управления аппаратными компонентами (нажатие клавиш на клавиатуре, управление принтером, падение напряжения и т.д.);

BIOS содержит специальные программы (драйверы) по управлению работой стандартных внешних устройств

Драйвер – специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами ЭВМ и организующая обмен информацией между микропроцессором, оперативной памятью и внешними устройствами ЭВМ.

Драйверами также считаются программы, обеспечивающие управление расширенной памятью, а также создание и обслуживание виртуальных устройств, например электронного диска – имитация гибкого диска в оперативной памяти.

Драйверы могут быть либо стандартными (находятся в BIOS), либо загружаемыми (хранятся на диске).

2. блок начальной загрузки или загрузчик (загрузчик). Загрузчик - это небольшая программа, которая находится в 1^м секторе 0^ой дорожки системного диска (512 байт). Основная функция: считывание в оперативную память 2^х основных модулей операционной системы IO.SYS - модуля расширения базовой системы ввода/вывода и MSDOS.SYS - модуля обработки прерываний. Если загрузчик не находит эти файлы, то он выдает сообщение, что диск является не системным (Non system disk). Следует помнить, что при перезагрузке ПК, если полностью отключается питание – электронные компоненты системного блока очень чувствительны к перепадам напряжения. Поэтому следует использовать “горячий” перезапуск (Ctrl+Alt+Del или Reset). При этом тестирование памяти аппаратных компонентов производиться не будет, сразу начинается поиск и загрузка в память загрузчика;

3. основные модули операционной системы:

- дисковый файл IO.SYS - модуль расширения BIOS (придает гибкость операционной системе, и возможность адаптации ее под любые необходимые требования пользователя); на этапе загрузки он выполняет функции: определение состояния оборудования, конфигурирование ОС, инициализация и переустановка некоторых векторов прерываний нижнего уровня, запуск базового модуля DOS;

- дисковый файл MSDOS.SYS - модуль обработки прерываний (выполняет высокоуровневые услуги операционной системы). Компонентами этого модуля являются подпрограммы, обеспечивающие работу файловой системы, устройств ввода/вывода, обслуживание специальных ситуаций (завершение программ, обработка ошибок). Основная функция этого модуля в процессе работы – это управление ресурсами ПК, файловой системой и управление работой программ при помощи системы прерываний. На этапе загрузки в его функции входит: считывание в память и запуск командного процессора, инициализация векторов прерываний верхнего уровня.

Эти два системных файла являются скрытыми, они защищены от любого доступа и изменений.

4. COMMAND.COM - командный процессор или интерпретатор команд. Он является тоже модулем ОС. В отличие от первых двух, он занимает на диске любое место и служит отдельной программой.

Функции этого модуля:

- Прием, анализ и выполнение команд, вводимых с клавиатуры или из командных файлов;

- запуск прикладных программ;

- обработка прерываний по завершении задачи.

Команды ОС бывают внутренние и внешние. Внутренние – находятся внутри самого командного процессора. Внешние – отдельные файлы, называемые утилитами, выполняют, как правило, сервисные операции; они входят в состав ОС и хранятся в обычном каталоге.

Если командный процессор встречает команду, не совпадающую с именем встроенных команд, он производит анализ типа файла. Файлы с расширением *.com или *.exe считаются исполнимыми и отправляются на выполнение. Файлы типа *.bat трактуются как командные и командный процессор считывает и выполняет строки командного файла.

В функцию командного процессора входит выполнение файла конфигурации ОС config.sys. Он также загружается при включении компьютера, задает параметры операционной системы и параметры внешних устройств. При подключении внешних устройств необходимы специальные программы, обеспечивающие управление их работой. Эти программы называются драйверами внешних устройств и задаются они в файле config.sys.

Также в функцию командного процессора входит выполнение файла autoexec.bat (это специальный командный файл, который содержит команды и программы, выполняемые при загрузке персонального компьютера). Этот файл содержит в себе команды для запуска резидентных программ, установки переменных окружения, установки формата приглашения DOS.

BIOS, IO.SYS , внешние драйверы, системный загрузчик – машинозависимая часть ОС, MSDOS.SYS, COMMAND.COM, инструментальные средства и внешние команды – машинонезависимая часть ОС.

При нормальном функционировании ОС командный процессор выдает на экран приглашение к работе, например С:\>.

Операционная система IBM OS/2

OS/2 — 32-разрядная графическая многозадачная операционная система фирмы IBM для IBMPC-совместимых компьютеров. OS/2 изначально создавалась фирмами IBM и Microsoft для полноценного использования приложениями возможностей современных микропроцессоров: всей адресуемой памяти, защищенного режима и многозадачности.

OS/2 использует виртуальную память, объем которой динамически меняется. Приложения работают в среде OS/2 в режиме вытесняющей многозадачности с разделением времени. При вытесняющей многозадачности операционная система жестко делит ресурсы процессора между выполняющимися программами, в отличие от кооперативной многозадачности (используемой, например, в Microsoft Windows3.x), при которой работающие программы делят процессорное время путем опроса друг друга. Возможна работа многопоточных приложений для OS/2, запускающих несколько процессов одновременно.

Файловая система (High Performance File System, HPFS) системы OS/2 обладает более высокой производительностью, чем файловая система FAT MS—DOS, лучше защищена от сбоев и поддерживает длинные (до 256 символов) имена файлов.

Workplace Shell, 32—разрядная графическая оболочка системы OS/2, основана на объектно-ориентированной модели (System Object Model, SOM).

OS/2 работает на компьютерах с микропроцессором не ниже 80386 (рекомендуется 486 или Pentium) и объемом оперативной памяти не менее 4 Мбайт (рекомендуется 8 Мбайт и более). В настоящее время наиболее широко используются версии OS/2 Warp 3 и OS/2 Warp Connect 3 (расширенная версия с сетевыми возможностями). В начале 1996 года выпущена OS/2 Warp Server — серверная операционная система для многоранговой локальной сети.

Примеры операционных систем

Операционные системы семейства

Microsoft Windows

Microsoft Windows - это семейство операционных систем, разработанных компанией Microsoft.

В 90 - е годы фирмой MICROSOFT была разработана новая операционная оболочка, которая предоставила новые возможности при работе на ПК. Надстройка под DOS. Она получила название Windows 3.1