2.1. Назначение системы управления файлами

Назначение системы управления файлами - организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Именно благодаря системе управления файлами вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логиче­ский доступ с указанием имени файла и записи в нем[1]. Как правило, все совре­менные ОС имеют соответствующие системы управления файлами. Однако выделение этого вида системного программного обеспечения в отдельную ка­тегорию представляется целесообразным, поскольку ряд ОС позволяет рабо­тать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (дополнительную систему управления файлами можно установить), и в этом смысле они самостоятельны. Более того, можно назвать примеры простейших ОС, которые могут работать и без файловых систем, а значит, им необязательно иметь систему управления файлами, либо они мо­гут работать с одной из выбранных файловых систем. Надо, однако, понимать, что любая система управления файлами не существует сама по себе - она разработана для работы в конкретной ОС и с конкретной файловой систе­мой. Можно сказать, что всем известная файловая система FAT (file allocation table)¹ имеет множество реализаций как система управления файлами, напри­мер FAT-16 для самой MS-DOS, super-FAT для OS/2, FAT для Windows и т. д. Другими словами, для работы с файлами, организованными в соответ­ствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разра­ботана соответствующая система управления файлами; и эта система управ­ления файлами будет работать только в той ОС, для которой она и создана.

Для удобства взаимодействия с ОС могут использоваться дополнительные интерфейсные оболочки. Их основное назначение - либо расширить возмож­ности по управлению ОС, либо изменить встроенные в систему возможности. В качестве классических примеров интерфейсных оболочек и соответствую­щих операционных сред выполнения программ можно назвать различные варианты графического интерфейса X Window в системах семейства UNIX (например, К Desktop Environment в Linux), PM Shell или Object Desktop в OS/2 с графическим интерфейсом Presentation Manager; наконец, можно указать разнообразные варианты интерфейсов для семейства ОС Windows компании Microsoft, которые заменяют Explorer и могут напоминать либо UNIX с его графическим интерфейсом, либо OS/2, либо MAC OS. Следует отметить, что о семействе ОС компании Microsoft с общим интерфейсом, реа­лизуемым программными модулями с названием Explorer (в файле system.ini, который находится в каталоге Windows, имеется строка SHELL=EXPLORER.EXE), все же можно сказать, что заменяемой в этих системах является только ин­терфейсная оболочка, в то время как сама операционная среда остается неиз­менной; она интегрирована в ОС. Другими словами, операционная среда определяется программными интерфейсами, то есть API (application program interface). Интерфейс прикладного программирования (API) включает в себя управление процессами, памятью и вводом/выводом.

Ряд операционных систем могут организовывать выполнение программ, соз­данных для других ОС. Например, в OS/2 можно выполнять как программы, созданные для самой OS/2, так и программы, предназначенные для выполне­ния в среде MS-DOS и Windows 3.x. Соответствующая операционная среда организуется в операционной системе в рамках отдельной виртуальной ма­шины. Аналогично, в системе Linux можно создать условия для выполнения некоторых программ, написанных для Windows 95/98. Определенными воз­можностями исполнения программ, созданных для иной операционной среды, обладает и Windows NT. Эта система позволяет выполнять некоторые про­граммы, созданные для MS-DOS, OS/2 1.x, Windows 3.x. Правда, в своем по­следнем семействе ОС Windows 2000 разработчики решили отказаться от поддержки возможности выполнения DOS-программ.

Наконец, к этому классу системного программного обеспечения следует отне­сти и эмуляторы, позволяющие смоделировать в одной операционной сис­теме какую-либо другую машину или операционную систему.

2.2. Понятие операционной среды

Операционная система выполняет функции управления вычислительными про­цессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной сис­темы между различными вычислительными процессами и образует программ­ную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной.

Любая программа имеет дело с некоторыми исходными данными, которые она обрабатывает, и порождает в конечном итоге некоторые выходные данные, резуль­таты вычислений. Очевидно, что в абсолютном большинстве случаев исходные данные попадают в оперативную память (с которой непосредственно работает процессор, выполняя вычисления по программе) с внешних (периферийных) устройств. Аналогично и результаты вычислений, в конце концов, должны быть выведены на внешние устройства. Следует заметить, что программирование опе­раций ввода/вывода относится, пожалуй, к наиболее сложным и трудоемким за­дачам. Дело в том, что при создании таких программ без использования совре­менных систем программирования, как говорится, «по старинке», нужно знать не только архитектуру процессора (его состав, назначение основных регистров, систему команд процессора, форматы данных и т. п.), но и архитектуру подсис­темы ввода/вывода (соответствующие интерфейсы, протоколы обмена данными, алгоритм работы контроллера устройства ввода/вывода и т. д.). Именно поэто­му развитие системного программирования и самого системного программного обеспечения пошло по пути выделения наиболее часто встречающихся операций и создания для них соответствующих программных модулей, которые можно в дальнейшем использовать в большинстве вновь создаваемых программ.

Например, в пятидесятые годы, на заре развития вычислительных сис­тем, при разработке первых систем программирования прежде всего создавали программные модули для подсистемы ввода/вывода, а уже затем - вычисления часто встречающихся математических операций и функций. Благодаря этому при создании прикладных программ программисты могли просто обращаться к соот­ветствующим функциям ввода/вывода и иным функциям и процедурам, что из­бавляло их от необходимости каждый раз создавать все программные компоненты «с нуля» и от необходимости знать во всех подробностях особенности работы контроллеров ввода/вывода и соответствующих интерфейсов.

Следующий шаг в автоматизации создания готовых к выполнению машинных двоичных программ заключался в том, что транслятор с алгоритмического языка более высокого уровня, нежели первые ассемблеры, уже сам мог подставить вме­сто высокоуровневого оператора типа READ или WRITE все необходимые вызовы к готовым библиотечным программным модулям. Состав и количество библио­тек систем программирования постоянно увеличивались. В конечном итоге воз­никла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ программи­сты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программ­ной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система (ОС), а набор ее функций, сервисов и правила обращения к ним как раз и обра­зуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Таким об­разом, можно сказать, что термин операционная среда означает, прежде всего, соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы.

Параллельное существование терминов «операционная система» и «операцион­ная среда» вызвано тем, что ОС в общем случае может поддерживать несколько операционных сред.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Если говорить о пользовательских, то, например, система Linux имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использо­вать различные «оболочки» - shell), интерфейс наподобие Norton Commander - Midnight Commander, так и графические интерфейсы - X-Window с различны­ми менеджерами окон - KDE, Gnome и т. д. Если же говорить о программных интерфейсах, то в той же ОС Linux программы могут обращаться как к операци­онной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графиче­ской подсистеме (если она используется).

С точки зрения архитектуры процес­сора (и всего ПК в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, создан­ная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обраще­ние к одной операционной среде, а во втором - к другой. И программа, создан­ная для Windows непосредственно, не будет выполняться в Linux; однако если в ОС Linux организовать полноценную операционную среду Windows, то наша Windows-программа сможет быть выполнена. Можно сказать, что операционная среда - это то системное программное окружение, в котором ты «с нуля» и от необходимости знать во всех подробностях особенности работы контроллеров ввода/вывода и соответствующих интерфейсов.

Следующий шаг в автоматизации создания готовых к выполнению машинных двоичных программ заключался в том, что транслятор с алгоритмического языка более высокого уровня, нежели первые ассемблеры, уже сам мог подставить вме­сто высокоуровневого оператора типа READ или WRITE все необходимые вызовы к готовым библиотечным программным модулям. Состав и количество библио­тек систем программирования постоянно увеличивались. В конечном итоге воз­никла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ программи­сты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программ­ной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система (ОС), а набор ее функций, сервисов и правила обращения к ним как раз и обра­зуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Таким об­разом, можно сказать, что термин операционная среда означает, прежде всего, соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы.

Параллельное существование терминов «операционная система» и «операцион­ная среда» вызвано тем, что ОС в общем случае может поддерживать несколько операционных сред.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Если говорить о пользовательских, то, например, система Linux

имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использо­вать различные «оболочки» - shell), интерфейс наподобие Norton Commander - Midnight Commander, так и графические интерфейсы X-Window с различны­ми менеджерами окон - KDE, Gnome и т. д. Если же говорить о программных интерфейсах, то в той же ОС Linux программы могут обращаться как к операци­онной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графиче­ской подсистеме (если она используется). С точки зрения архитектуры процес­сора (и всего ПК в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, создан­ная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обраще­ние к одной операционной среде, а во втором - к другой.

2.3. Понятие вычислительного процесса и ресурса

Понятие «вычислительный процесс» (или просто - «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие процесс яв­ляется определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующе­го неформального определения, приведенного в работе. Последовательный процесс - это выполнение отдельной программы с ее данными на последовательном процессоре. Концептуально процессор рас­сматривается в двух аспектах: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он (одновременно) выполняет операции, связанные с их обработкой.

В качестве примеров можно назвать следующие процессы (задачи): прикладные программы пользователей, утилиты и другие системные обрабатывающие про­граммы. Процессами могут быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, ее компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-ни­будь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной программы - другим процессом, поскольку, хотя транслятор как объ­единение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распре­деления и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно используемым, относи­тельно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, ис­пользуются и освобождаются процессами в период их активности. Другими сло­вами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их исполь­зовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в те­чение некоторого интервала времени процессы используют ресурс поперемен­но), а могут быть и неделимыми.

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода/вывода и периферийные устройства. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для сис­темы как объекты, которые могут разделяться и распределяться и доступ к кото­рым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибу­тов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое пред­ставление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, как ресурс стали толковать и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в извест­ной работе Яноша Джон фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода/выво­да данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между опера­тивной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычис­ления. Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода получен­ных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода/вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный (мультизадачный) режим работы вычислитель­ной системы.

Необходимо различать системные управляющие процессы, представляющие ра­боту супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управ­лением ресурсов, от всех других процессов: системных обрабатывающих процес­сов, которые не входят в ядро операционной системы, и процессов пользователя. Для системных управляющих процессов в большинстве операционных систем ресурсы распределяются изначально и однозначно. Эти процессы управляют ре­сурсами системы, за использование которых существует конкуренция между всеми остальными процессами. Поэтому исполнение системных управляющих программ не принято называть процессами. Термин задача можно употреблять только по отношению к процессам пользователей и к системным обрабатывающим процес­сам. Однако это справедливо не для всех ОС.