Управление файлами и внешними устройствами

Самостоятельная работа №1

Тема. Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера. Управление процессами, управление памятью.

Цель.

1. Учебная. Дать характеристику функциональным компонентам операционной системы. Объяснить управление памятью и процесами.
2. Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.
3. Воспитательная. Воспитывать интерес к научным достижением и открытием.

Межпредметные связи:

· Обеспечивающие: информатика, математика.

· Обеспечиваемые: системное программирование, компьютерные цепи

Методическое обеспечение и оборудование:

1. Методическая разработка к занятию.

2. Учебный план.

3. Учебная программа

4. Рабочая программа.

5. Инструктаж по технике безопасности.

6. Кадоскопные карты.

7. Карточки с дифференцированными вопросами.

Технические средства обучения: кодоскоп, диапроэктор, персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

• Рабочие тетради
• Перечень дифференцированных вопросов.

 

Ход лекции.

1. Организационный момент.
2. Анализ и проверка домашней работы
3. Ответьте на вопросы:

1. Назовите функции операционной системы.

2. Что такое операционная система?

3. Назовите основные задачи операционной системы по управлению ресурсами компьютера?

Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера

Функции операционной системы автономного компьютера обычно группируют­ся либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресур­сам. Иногда такие группы функций называют подсистемами. Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процес­сами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты

Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функ­ционирование вычислительной машины, является подсистема управления про­цессами.

Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информа­ционные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресур­сах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на по­требление системных ресурсов.

Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процес­са, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

В информационные структуры процесса часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода мо­гут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставле­нии ресурсов процессу.

В мультипрограммной операционной системе одновременно может существо­вать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользо­вателей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операци­онной системой для выполнения своих функций.

Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресур­сы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту.

Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Одним из наиболее тщательно защи­щаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса. Совокупность всех областей оперативной па­мяти, выделенных операционной системой процессу, называется его адресным пространством. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном про­странстве, имея в виду защиту адресных пространств, осуществляемую ОС. За­щищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д. Операционная система может не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование, например разре­шать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам.

На протяжении периода существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды индифицируется состоянием регистров и программного счетчика счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выпол­няемых данным процессом системных вызовов и т. д. Эта информация называет­ся контекстом процесса. Говорят, что при смене процесса происходит переклю­чение контекстов.

Операционная система берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие процессу приостанавливать свое выполнение до наступления ка­кого-либо события в системе, например завершения операции ввода-вывода, осуществляемой по его запросу операционной системой.

В операционной системе нет однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же программный файл может породить несколько па­раллельно выполняемых процессов, а процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл и начать выполнять другую программу.

Для реализации сложных программных комплексов полезно бывает организо­вать их работу в виде нескольких параллельных процессов, которые периодиче­ски взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Так как операционная система защищает ресурсы процессов и не позволяет одному процессу писать или читать из памяти другого процесса, то для оперативного взаимодействия процессов ОС должна предоставлять особые средства, которые называют средствами меж процессного взаимодействия.

Таким образом, подсистема управления процессами планирует выполнение про­цессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновре­менно существующими в системе процессами, занимается созданием и уничто­жением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами.

Управление памятью

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти.

Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они мо­гут отличаться, например, количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной облас­ти, а в других — в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы гра­ницы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существова­ния процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти). В некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, а в других — сегментами пе­ременной длины.

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных операционных системах является так называемая виртуальная память. Наличие в ОС механизма виртуальной памяти позволяет программисту писать програм­му так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, часто существенно превышающего объем имеющейся физиче­ской памяти. В действительности все данные, используемые программой, хра­нятся на диске и при необходимости частями (сегментами или страницами) ото­бражаются в физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и диском подсистема виртуальной памяти выполняет трансляцию виртуальных адресов, полученных в результате компиляции и ком­поновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти. Очень важно, что все операции по перемещению кодов и данных между оперативной памятью и дисками, а также трансляция адресов выполняются ОС прозрачно для программиста.

Защита памяти — это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Правильно на­писанные программы не пытаются обращаться к памяти, назначенной другим. Однако реальные программы часто содержат ошибки, в результате которых та­кие попытки иногда предпринимаются. Средства защиты памяти, реализован­ные в операционной системе, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.

Таким образом, функциями ОС по управлению памятью являются отслежива­ние свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; защита памяти; выте'снение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, ко­гда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на кон­кретную область физической памяти.

 

Домашнее задание: § 5-6 конспект.

Закрепление материала:

Ответьте на вопросы:

1. Что такое процесс, охарактеризуйте процессы?

2. Какие функции выполняет операционная система по управлению памятью?

 

Литература:

1. Богумирский Б. Энциклопедия Windows 98 (второе издание). — СПб.: Питер, 1999,896с.

2. Борланд Р. Знакомство с Windows 98. — М.: Microsoft Press Русская редакция,

3. 1997,376с.

4. Борланд Р. Эффективная работа с Word 97. - СПб.: Питер, 1998,960 с.

5. Коварт Р., Уотерс Б. Windows NT Server 4: Учебный курс. — СПб.: Питер, 1999, 448с.

6. Мэтьюз М. Windows 98: Книга ответов. - СПб.: Питер, 1999, 464 с.

7. Немнюгин С. Pascal: Учебный курс. — СПб.: Питер, 1999.

8. Новейший самоучитель работы на компьютере. Под ред. Симоновича С. — М.: Десс; Инфорком-Пресс, 1999,656 с.

9. Нортон П., Мюллер Дж. Windows 98: энциклопедия системных ресурсов. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1998,578 с.

 

Тема. Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера. Управление файлами и внешними устройствами. Функции операционной системы по защите данных и администрированию.

Цель.

1. Учебная. Рассказать об функциях операционной системы по управлению файлами и внешними устройствами. Объяснить принципы администрирования и защиты данных.
2. Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.
3. Воспитательная. Воспитывать интерес к научным достижением и открытием.

Межпредметные связи:

· Обеспечивающие: информатика, математика.

· Обеспечиваемые: системное программирование, компьютерные цепи

Методическое обеспечение и оборудование:

1. Методическая разработка к занятию.

2. Учебный план.

3. Учебная программа

4. Рабочая программа.

5. Инструктаж по технике безопасности.

6. Кадоскопные карты.

7. Карточки с дифференцированными вопросами.

Технические средства обучения: кодоскоп, диапроэктор, персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

• Рабочие тетради
• Перечень дифференцированных вопросов.

 

Ход лекции.

1. Организационный момент.
2. Анализ и проверка домашней работы
3. Ответьте на вопросы:

§ Что такое процесс, охарактеризуйте процессы?

§ Какие функции выполняет операционная система по управлению памятью?

Управление файлами и внешними устройствами

Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС — файловой системе. Опе­рационная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла — простой неструктурированной последова­тельности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы -каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохра­нение содержимого.

Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случай­ным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хо­рошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, ор­ганизует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с под­системой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсисте­мой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключен­ным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура вы­пускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специаль­ных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразо­ватели, может насчитывать сотни моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуще­ствляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного исполь­зования и множеством других деталей.

Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учиты­вающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive — управлять, вести). Драйвер может управлять единствен­ной моделью устройства, например модемом U-1496E компании ZyXEL, или же группой устройств определенного типа, например любыми Hayes-совместимыми модемами. Для пользователя очень важно, чтобы операционная система включа­ла как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возмож­ность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различ­ных производителей. От наличия подходящих драйверов во многом зависит успех операционной системы на рынке (например, отсутствие многих необходи­мых драйверов внешних устройств было одной из причин низкой популярности OS/2).

Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. Операционная система должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйве­рами и остальной частью ОС, чтобы разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могли поставлять вместе со своими устройствами драй­веры для данной операционной системы.

Прикладные программисты могут пользоваться интерфейсом драйверов при раз­работке своих программ, но это не очень удобно — такой интерфейс обычно представляет собой низкоуровневые операции, обремененные большим количе­ством деталей.

Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Со времени появления ОС UNIX такой унифи­цированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В ка­честве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную ап­паратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями.