Шпаргалка по "Операционные системы и среды "

Структура системы вв/выв: уст-ва вв/выв различаются по скорости обмена, по кол-ву использовавших их процессоров, по запоминанию выведенной инф-ции, по кол-ву передаваемых битов.

УВВ принято разделять  на символьные (клавиатура, принтер), блочные (диски, флешки), сетевые(сетевые карты), таймеры, граф. диаграммы.

Базовые система  вв/выв.  Обмен данными между пользователями, приложениями и периферийными устр-ми ЭВМ выполняется система ОС- подсистема вв/выв (ПВВ). Основным компонентом ПВВ являются драйвера, управляющие внешними устройствами и файловая система. В работе ПВВ активно участвует диспетчер прерываний. 

Основные  функции ПВВ:

- организация параллельной  работы устройств вв/выв и процессора

-согласование скоростного  обмена и кеширования данных

-обеспечение удобного  логического интерфейса меду  уст-ми и остальными частями системы

-поддержка широкого  спектра драйверов с возможностью  простого включения в систему  нового драйвера

-динамическая загрузка  и выгрузка драйверов

-поддержка нескольких  различных файловых систем

-поддержка асинхронных  и синхронных операций вв/выв

Согласование  скоростей обмена и кеширования данных. При обмене данных всегда возникает задача согласования скоростей работы уст-тв . Решение достигается буферизацией данных:

1. В подсистеме вв/выв часто используется буферизация в ОП, когда в качестве буфера используется дисковый файл, называемый спул-файлом.
2. Использование большой буферной памяти в контролерах внешних уст-тв. Применяется когда помещение на диск слишком замедляет обмен или когда данные выводятся на сам диск.

 Буфер- некоторая  область памяти для запоминания инф-ции при обмене данными между двумя устройствами, процессами. Буферизация данных позволяет согласовывать не только скорости работы процессора с внешними устр-ми, но и решить задачу сокращенного кол-ва реальных операций вв/выв за счет кеширования данных.

Кеш- область быстрой  памяти, содержащая копию памяти, расположенную  где либо в более медленной  памяти, предназначенной для ускорения  работы ВС. Дисковый кеш является непременным атрибутом подсистемы вв/выв практически во всех ОС, значительно сокращая время доступа к хранилищам данным.  

Драйвер- программа, с помощью которой ОС получает доступ к конкретному уст-ву. Он взаимодействует с модулями ядра ОС и контролерами внеш уст-тв. По этому существует два вида интерфейсов: интерфейс «драйвер-ядро» (DKI) и интерфейс «драйвер-устройство» (DDI).

Основные функции  драйверов уст-тв:

1. Обработка запросов, запись или чтение от ПО, управление уст-ми, поставка запросов в очередь.
2. Проверка входных параметров запросов и обработка ошибок.
3. Инициализация устр-ва и проверка его статуса.
4. Регистрация событий в уст-ве.
5. Выдача команд уст-ву и ожидание их выполнения, проверка правильности завершения операции, передача завершенной операции.
6. Обработка нового запроса при незавершение предыдущего.

Типичный драйвер начинает работу с проверки входных параметров, не использовалось уст-во в последнее время. Если уст-во занято, запрос будет поставлен в очередь, если свободно- проверится его статус и он будет обслужен.  

Управление уст-ми подразумевает выдачу серии команд, а драйвер определ. их последовательность. Драйвер записывает команды в регистр контролера, который выполняет их без помощи ОС. После передачи команд контролеру драйвер ожидает завершение его работы, и передает инф-цию вызвавшей программе.

Современные ОС поддерживают динамическую загрузку/выгрузку драйверов. Имеются так же высокоуровневые драйвера, располагающиеся в подсистеме вв/выв, когда ее функции распределены между несколькими модулями в соседних иерархичных слоях. Несколько драйверов, управляющим одним устр-м можно рассматривать как один многоуровневый драйвер. 

Вопрос 18. Файловая система.

Основные понятия:

1. Поле-осн. элемент данных, характеризуется длинной и типом данных, состоит из нескольких модулей- имя, значение, длина поля.
2. Запись- набор связанных между собой полей фиксированной или переменной длины. В некоторых прикладных программах обрабатываются как одно целое.
3. Файл- именнованая совокупность данных, хранящаяся на каком- нибудь хранителе инф- ции. Файл имеет свое имя и права доступа к нему.
4. База данных- набор связанных данных, представляющих собой совокупность файлов одного или нескольких типов.  Управления базой осуществляется не зависящей от ОС системой –СУБД.

Единственным способом  работы с файлами является использование  файловой системы (ФС). Она включает в себя: совокупность всех файлов на носителе инф-ции, набор структур данных, используемых для управления файлами  (каталог, дисткриптор),  комплекс системных программных сред-тв, реализующих опрерации над файлами(создание, удаление).

К задачам ФС относятся:

1. Соответствие требованиям управления данными и требованиям со стороны пользователей, включающим возможность хранения данных и выполнения операций с ними.
2. Корректность данных в файле, минимизация или полное исключение потери или  повреждения данных, защита файлов от несанкционированного доступа.
3. Поддержка вв/выв инф-ции, обеспечения поддержки совместного использования файлов, обеспечение стандартизованного набора подпрограмм интерфейса вв/выв.

Архитектура файловой системы. ФС выполняет множество функций:  распределение дисковой памяти, именование файлов, отображение имен файлов в адреса внеш памяти, обеспечение доступа к данным и т.д. классическая схема организации ПОФ пользовательской программы.

 

На нижнем уровне драйвера уст-тв непосредственно связаны с УВВ или их контролерами либо каналами. Драйвера отвечают за начальные операции вв/выв уст-ва и за обработку завершения запроса вв/выв.

Базовая ФС это первичный  интерфейс с окруж системой. ОП оперирует блоками данных, с которыми обменивается с дисками и другими уст-ми. На этом уровне е выполняется работа с содержимым блоков и структурой файлов.

Диспетчер базового вв/выв отвечает за начало и завершение  файлового вв/выв. На этом уровне происходит слияние управляющей структуры и связанной с ней УВВ. Планирование статусов и файлов осуществляется выбором уст-ва, на котором будут выполнятся операции файлового вв/выв. Так же планируется обращение к уст-ву, назначение буфера вв/выв, распределяется внеш память.

Логический вв/выв предоставляет приложениям и пользователям доступ к записям, обеспечивает возможность общего назначения по вв/выв записи и поддерживает инф-цию о файлах.

Метод  доступа  обеспечивает стандартный интерфейс  между приложениями, ФС, уст-ми с  данными.

Типы  именования и атрибуты файлов.

1. Обычные файлы (регулярные). Содержат инф-цию, занесенную пользователем или которая образовалась в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство ОС не контролирует структуру и   инф-цию регулярных файлов, которые в основ являются файлами из текстовых строк (ASC-II) или двоичными.
2. Каталоги- системные файлы, обеспечивающие поддержку структуры ФС. Они содержат системную инф-цию о наборе файлов, структурированный пользователем.  В каталог могут входить и другие каталоги и файлы. Каталоги устанавливают соответствии между именами файлов и их характеристиками.
3. Специальные файлы- фиктивные файла ассоциированные С УВВ, использующиеся для унификации механизмом доступа к последовательным УВВ (принтеры, терминалы).
4. Именованные конвейеры (каналы)- циклические буферы, позволяющие входной файл одной программы соединить с входным файлом другой.
5. Отображаемые файлы- обычные файлы отображаемые на адресное пространство процесса по указанному виртуальному адресу.

Правило именования файлов меняется о одной ОС к другой. В иерархических организованных ФС обычно используется три типа имен файлов: Простые- определяют файл в  пределах одного каталога; Составные- путь от корневого каталога до данного  файла; Относительные- определяются через  текущий каталог в котором  сейчас работает пользователь.

Логическая  организация файлов. Данные, содержащиеся в файле имеют некоторую логич структуру, которая является базой для разработки программ обработки данных. Поддержание структуры данных может осуществлять приложение или ФС.

Стандартные способы организации  файлов.

1. Смешанный файл. Данные накапливаются в порядке поступления, записи могут иметь разные или одинаковые поля, расположенные в различном порядке. Длина каждого поля должна быть указана явно либо по средствам разделителя. Доступ к записи осуществляется полным перебором всех записей файла. По этому обновлять или вставлять записи довольно сложно.
2. Последовательный файл- используется фиксированный формат, все записи одинаковой длины и состоят из одинакового кол-ва полей фиксированной длины, организованных в опред порядке. Сохраняются только значения полей, атрибутами являются имя и длина каждого поля.  Одно опред поле или несколько являются ключевым.
3. Индексно-последовательный файл состоит из трех частей: главного файла, содержащего записи с последовательно идущими ключами; индексного файла , содержащего записи индексные поля и указатели на главный файл с ключами; и файла переименования.  Для поиска нужной записи по ключу сначала выполняется поиск в индексном файле, после нахождения наибольшего значения ключа, которое не превышает искомое, продолжается поиск в главном файле.  Если необходимо найти запись отличную от ключевого поля, то данная организация является не пригодной.
4. Индексный файл- доступ к записям осуществляется только по их индексам.  Используется два типа индексов: полный- содержит по одному элементу для каждого типа записи главного файла; и частичный- содержит элементы для записи, содержащие искомое поле. При добавлении новой записи в гл. файл необходимо обновлять все индексные файлы.
5. Файлы прямого доступа используют возможность прямого доступа к блоку с известным адресом при хранении файлов на диске. В каждой записи имеется ключевое поле.

Каталоговая система.  Связующим звеном между системой управления файлами и набором файлов служит файловый каталог. Он содержит инф-цию о файлах, включая атрибуты, месторасположение, принадлежность и т.д. каталоги системы имеют иерархичную структуру и могут образовывать древо каталогов, если файлу разрешено входить только в один каталог, или сеть каталогов, если файл может входить в несколько каталогов.

Организация хранения файлов. 1) На каждом уст-ве размещается автономная ФС т.е. файлы, находящиеся на этом уст-ве описываются древом каталогов не связанных с древом на других уст-вах. В этом случае для определения файла пользователь вместе с составным символьным именем файла должен указать определитель логического уст-ва.  2) Пользователь имеет право объединять ФС находящиеся на разных уст-вах в одну, описываемую единым древом каталогов. Такая операция называется монтированием.

  Физическая организация  ФС.

Файл, имеющий образ  цельного набора байт на самом деле разбросан своими частями по всему  диску. Принцип размещения файлов, каталогов  и системной инф-ции а реальном уст-ве описывается физич организацией файловой системы.

Основным уст-вом для хранения файлов являются жесткие магнитные диски, состоящие из стеклянных или металлических пластин, покрытых магнитным материалом. На каждой стороне пластины имеются концентрические кольца- дорожки, на которых хранятся данные. Нумерация дорожек начинается с нуля, от внешнего края к центру.  Когда диск вращается, магнитные головки имеющиеся над/под поверхностью диска считывают или записывают двоичные данные  на дорожки. Некоторые диски имеют отдельную головку на каждую дорожку, что значительно увеличивает быстродействие.

Совокупность одного радиуса на всех поверхностях пластин  называется цилиндром.  Каждая дорожка  разбита на сектора, имеющие опред размер, выражающейся степенью двойки ( чаще всего 512).  ОС при работе с диском использует кластер, единицу дискового пространства,  содержащего секторов в числе, кратным степени 2.

Дорожки и сектора  образуются в результате физического ( низкоуровневого) форматирования. Разметку диска под конкретный тип ФС  выполняю процедуры высокоуровневого форматирования. 

Основными критериями, определяющими способ размещения файлов на диске являются скорость данных, объем адресной инф-ции файла, степень  фрагментированности диска, макс возможный  размер файла.

Наиболее  часто используемые схемы размещения файлов: