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.

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.

Выводы

1. ОС — это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.

2. К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, и определяют облик ОС.

3. Наиболее важными подсистемами ОС являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

Главными определяющими в управлении ресурсами ОС включают:

- 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.

- функциями ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; защита памяти; вытеснение 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.

- поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС.

Тесты

1. Выберете верное определение ОС:

a) ОС – это программа, предназначенная для управления компонентами системного программного обеспечения;

b) ОС – это программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом;

c) ОС – это комплекс программного обеспечения, позволяющий создавать удобный интерфейс прикладного программирования.

2. Что из ниже перечисленного можно отнести к числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС?

a) процессоры, основная память, таймеры, наборы данных;

b) диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие;

c) оба выше причисленных варианта.

3. Какие из перечисленных состояний процессов верны?

a) потупивший, готовый, ожидающий, выполняющийся, законченный;

b) новый, выполнение, ожидание, готовность, завершенность.

4. В чем заключается диспетчеризация по отношению к управлению процессами?

a) в реализации найденного в результате планирования (динамического или статистического) решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой;

b) в переключении процессора с одного потока на другой.

5. Что такое выделенный ресурс?

a) устройство, монопольно используемое процессов;

b) устройство или данные, к которым процесс имеет эксклюзивный доступ;

c) данные, заблокированные процессом для исключительного доступа.

6. Что необходимо сделать для предотвращения возникновения тупика?

a) нарушить три первые условия из раздела «Условия возникновения тупиков»;

b) нарушить условие 1 из раздела «Условия возникновения тупиков»;

c) нарушить любое из первых трех условий из раздела «Условия возникновения тупиков».

7. Что необходимо сделать для обнаружения тупика?

a) нарушить условие 4 из раздела «Условия возникновения тупиков»;

b) проверить наличие в системе первых трех условий из раздела «Условия возникновения тупиков» и проверить выполнение условия 4;

c) проверить выполнение в системе всех четырех условий из раздела «Условия возникновения тупиков» и нарушить условие 4.

8. Как можно вывести систему из тупиковой ситуации?

a) завершить выполнение одного из процессов;

b) нарушить одно из условий возникновения тупика;

c) организовать в системе средства отката и перезапуска с контрольной точки.

9. Какая из ОС больше подвержена тупикам и почему?

a) система пакетной обработки;

b) система жесткого реального времени;

c) система с разделением времени.

10. В чем состоит сущность диспетчеризации:

a) определение, в какой момент времени необходимо прервать текущий поток и какому потоку предоставить выполнение или возможность выполнения;

b) назначение процессу области оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса и предоставление необходимого количества процессорного времени и ресурса;

c) совокупность всех областей оперативной памяти, выделяемых для данного процесса.

11. Какому процессу принадлежит следующая характеристика: пассивное состояние, процесс заблокирован в связи с внутренними обстоятельствами:

a) ожидание;

b) выполнение;

c) готовность.

12. Основными понятиями в управлении процессами являются:

a) задача, работа, очередь;

b) программа, работа, ресурс;

c) оба варианта.

13. Процесс – это:

a) любой потребляемый объект;

b) набор услуг, освобождающий программиста от кодирования многочисленных операций;

c) заявка на потребление ресурсов.

14. Важнейшей частью операционной системы, влияющей на выполнение процессов, является:

a) подсистема управления процессами, управления памятью, управление файлами;

b) распределение ресурсов;

c) состояние процесса.

15. Что представляет собой ресурс:

a) минимальный программный объект;

b) любой потребляемый, расходуемый объект;

c) любой используемый операционной системой объект.

16. Сколько процессов может находиться в состоянии ожидания готовности в однопроцессорной операционной системе:

a) один;

b) два;

c) несколько.

17. Что представляет собой информационная структура:

a) данные о потребностях в ресурсах оперативной памяти;

b) данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы;

c) данные о состоянии процесса.

18. Что называется адресным пространством:

a) место процесса в очереди заявок процессов на ресурс;

b) совокупность заявок процессу на ресурсы;

c) совокупность всех областей оперативной памяти, выделяемой для процесса.

19. Что подразумевается под динамическим типом планирования потока:

a) когда решение принимается во время работы системы. Операционная система работает в условиях неопределенности, т.е. потоки и процессы появляются в случайный момент времени;

b) когда происходит определение времени для смены текущего активного процесса;

c) когда определяется, в какой момент времени необходимо прервать выполнение текущего процесса.

20. Отличие динамического планирования от статического:

a) по способу выполнения задач;

b) по качеству исполнения задач;

c) по количеству потребляемых ресурсов.