Управление данными в операционных системах

П. 2. Программы ОС.

Программы ОС постоянно (резидентно) занимают в оперативной памяти объем, установленный при конфигурировании системы. Остальные части операционной системы по мере необходимости вызываются из внешней памяти на МД.

Операционная система обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

• обработки задач;

• работы системы в режиме диалога и квантования времени;

• работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;

• связи оператора с системой;

• протоколирования хода выполнения вычислительных работ;

• обработки данных, поступающих по каналам связи;

• функционирования устройств ввода-вывода;

• использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;

• планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;

• ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ЭВМ.

Основные компоненты операционных систем — управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы ЭВМ при переходе от одной программы к другой без вмешательства оператора.

Управляющая программа определяет порядок выполнения обрабатывающих программ и обеспечивает необходимым набором услуг для их выполнения. Основные функции управляющей программы: последовательное или приоритетное выполнение каждой работы (управление задачами); хранение, поиск и обслуживание данных независимо от их организации и способа хранения (управление данными).

Операционные системы предоставляют программе пользователя возможность узнать текущие дату и время. За начало отсчета, например, в MS-DOS принята дата 1 января 1980 г. 0 часов 0 минут 0 секунд по Гринвичу, в UNIX 1 января 1970 г. Системы предоставляют возможность измерения временных интервалов короче 1 секунды с помощью специальных системных вызовов. ОС может переводить дату и время из внутреннего числового представления в символьное (пригодное к выводу, например, на терминал); местное время во время по Гринвичу и наоборот; предоставлять информацию о часовом поясе, летнем и зимнем времени.

Управление данными включает следующие компоненты:

• долговременное планирование — организацию размещения данных на внешних носителях, их выборку и предоставление пользовательским программам;

• оперативное управление — распределение оперативной памяти под программы и данные, реализацию обмена данными \ между оперативной и внешней памятью;

• управление внешними устройствами ввода-вывода и размещения данных.

Внешние устройства ЭВМ.

Типовая конфигурация внешних устройств (ВУ) включает: терминал/консоль (экран и клавиатура), накопители на магнитных дисках (НМД) и принтер. Контроллеры ВУ ПЭВМ представляют собой стандартного размера электронные платы (интерфейсные карты, адаптеры и пр.), которые практически полностью взаимозаменяемы, что позволяет укомплектовать экземпляр ПЭВМ любым желаемым набором устройств (но не более 4—8, в зависимости от класса машины).

Контроллеры типовых устройств, как правило, являются несъемными и размещаются на системной плате (motherboard) ПЭВМ. Практически все устройства требуют для своей работы программной поддержки (как минимум — запуска и непрерывного функционирования специальных программ — драйверов устройств, или более сложных прикладных программ). В более мощных системах (UNIX, Windows NT) подобные программы входят в состав операционной системы и обязательно присутствуют в машине. В случае, например, MS-DOS — это необязательные компоненты, которые необходимо приобретать и устанавливать дополнительно.

Накопители на магнитных носителях, файлы, циклы обработки. Накопители данного типа являются основной средой хранения информации в ЭВМ и разделяются на накопители на магнитных лентах (НМЛ) и магнитных дисках (НМД).

Файл (набор данных на внешнем носителе) рассматривается как совокупность записей одинаковой структуры (обычно, хотя и необязательно — фиксированной длины), каждая из которых представляет собой набор (агрегат) разнородных данных (в языках программирования — PL/1, Pascal, Си за подобными объектами так и закрепилось название структура — structure).

Понятие «файл» появилось впервые в операционной системе OS/360 фирмы IBM, причем в ранних версиях системы «настоящим файлом» считался только перфокарточный массив (file=картотека), данные на МД и МЛ обозначались как DS (Data Set — набор данных). В последующих ОС (RSX, UNIX, MS-DOS) файлами становятся именованные организованные наборы данных на любых носителях и устройствах, за сохранность и обновляемость которых (а также передачу в прикладные программы /из прикладных программ) и несет ответственность ОС ЭВМ.

Накопители на магнитных лентах. Эти накопители относятся к классу внешних запоминающих устройств последовательного доступа. В них доступ к требуемому набору данных происходит только после завершения перемотки всей предшествующей части магнитной ленты (МЛ). Такие накопители благодаря низкой стоимости, простоте эксплуатации и хранения, компактности и долговременности использования обладают несомненными преимуществами в тех случаях, когда порции данных обрабатываются последовательно друг за другом.

Накопители на магнитных дисках. Накопители на магнитных дисках получили наибольшее распространение. В них каждая запись данных имеет свой собственный уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный (минуя все остальные записи) доступ к ней. В НМД предусмотрена аналогичная НМЛ возможность последовательного доступа к информации. Накопитель на магнитных дисках сочетает в себе несколько устройств последовательного доступа, причем сокращение времени поиска данных обеспечивается за счет независимости доступа к записи от ее расположения относительно других записей. Конструкция НМД сложнее, чем у НМЛ, а следовательно, выше их стоимость. В НМД в качестве носителей данных используется пакет магнитных дисков, закрепленных на одном стержне, вокруг которого они вращаются с постоянной скоростью. Поверхность магнитного диска, покрытая ферромагнитным слоем, называется рабочей.

Каждый магнитный диск пакета, кроме верхнего и нижнего, имеет две рабочие поверхности. Верхний и нижний магнитные диски обладают по одной рабочей поверхности, расположенной соответственно на нижней и верхней частях указанных дисков. Каждая рабочая поверхность магнитного диска разбита на N окружностей (дорожек), пронумерованных от 0 до N-1 от края к центру. На каждой из дорожек начало области данных механически идентифицировано при помощи маркера начала оборота. Дорожки, расположенные одна под другой на разных магнитных дисках, образуют соответственно N цилиндров.

Особенности и характеристики НМД для персональных компьютеров. Различают магнитные диски: жесткие (НЖМД, HDD, «винчестер») и гибкие (НГМД, FDD, «флоппи»). HDD являются более скоростными устройствами, чем FDD.

Винчестер (HDD) — накопитель на несъемном пакете магнитных дисков был создан в 1973 г. Все магнитные диски (объединенные в пакет дисков) герметически «упакованы» в общий кожух. Магнитные диски не могут изыматься из HDD и заменяться на аналогичные.

Флоппи (FDD) (разработка фирмы IBM) — накопитель на съемном гибком магнитном диске (флоппи). Флоппи-диск имеет пластиковую основу и находится в пластиковом кожухе. Флоппи-диск вставляется в FDD вместе с кожухом и вращается внутри кожуха со скоростью 300 об/мин.

Структура поверхности дискеты (40 дорожек, 8 секторов)

Магнитная поверхность разбивается на дорожки. Дорожки нумеруются начиная с 0-й (максимальный радиус). Магнитная поверхность «разбита» также на секторы. Секторы нумеруются начиная с 1-го. Размер каждого сектора обычно равен 512 байт (для MS-DOS). Физический адрес сектора составляется как сумма (точнее — конкатенация) соответствующих номеров: № поверхности, № дорожки, № сектора.

Таким образом, информационный объем дискеты равен:

где V — информационный объем дискеты (байт); Р — количество поверхностей дискеты (одна или две); D — количество дорожек на поверхности; S — количество секторов на дорожке.

Если дискета является системной, то ядро MS-DOS размещается начиная с 0-й дорожки, как более надежной (большая длина и меньшая плотность записи).

Форматирование дискет производится при инициализации дискеты изготовителем или пользователем с помощью утилиты операционной системы.

Кластер — минимальный размер места на диске, которое может быть выделено файловой системой для хранения одного файла. Определяется он, как правило, автоматически, при форматировании винчестера, по зависимости, указанной в таблице.

Небольшое исключение для системного раздела: если он меньше 2048МБ, то размер кластера всегда 512 байт.