Конспект лекций на тему «Операционные системы: Windows»

Операционная система Microsoft Windows. Общие сведения.

На сегодняшний день трудно найти специалиста, который в своей работе не использовал бы компьютерную технику и различные технические устройства. Поэтому квалифицированный специалист должен уметь работать с компьютерной техникой, знать основы ее функционирования, владеть программами, управляющими различными компьютерными устройствами, и прикладными программами.

Программный продукт, который устанавливается на большинстве персональных компьютеров в России, это операционная система семейства Microsoft Windows. Первой операционной системой, разработанной фирмой Microsoft в 1981 г., была MS-DOS, но интерфейс данной операционной системы был не очень удобен с современной точки зрения: приходилось знать команды, которые пользователь должен был вводить в командной строке. О привычных сегодня значках и иконках, работе с мышью пользователям компьютера приходилось только мечтать.

Развитие технологий изменило наше мышление: появляется графический интерфейс и Microsoft создает сначала в 1992 г. свою графическую «надстройку» над MS-DOS, называемую Windows 3.0, а затем в 1995 г. – полноценную графическую операционную систему Windows 95. В последующие годы Microsoft постоянно разрабатывает новые версии операционной системы, изменяя ее номер, но оставляя базовое наименование Windows.

Операционная система: определение, функции.

Существует две группы определений операционной системы (ОС):

ОС – это набор программ, управляющих оборудованием;

ОС – это набор программ, управляющих другими программами.

Поэтому дадим определение, которое применимо к большинству современных ОС общего назначения.

Операционная система (ОС) – комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами и предназначены для управления устройствами и вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надежных вычислений.

выполнение по запросу программ действий, которые являются общими для большинства программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.);

загрузка программ в оперативную память и их выполнение;  стандартизованный доступ к периферийным устройствам;

управление оперативной памятью – распределение между процессами, организация виртуальной памяти;

управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (жесткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе;  обеспечение пользовательского интерфейса;

сетевые операции, поддержка сетевых протоколов.

 параллельное или псевдопараллельное выполнение задач, т. е. многозадачность;

 эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами (задачами);

 разграничение доступа различных процессов к ресурсам;

 организация надежных вычислений, т. е. невозможность одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе, основанная на разграничении доступа к ресурсам;

 взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация;

 защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей или приложений (злонамеренных или по незнанию);

 многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

Цели и задачи операционной системы

Одной из основных задач операционной системы является предоставление пользователю удобного способа работы с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью. Логическая модель файловой системы в ОС семейства Windows материализуется в виде дерева папок (каталогов), выводимого на экран такими утилитами, как Windows Explorer, Windows Commander или Far Manager, и символьных составных имен файлов. Базовым элементом этой модели является файл, который, как и файловая система в целом, может характеризоваться и логической, и физической структурой. Дадим определение файловой системы. Файловая система – порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат содержимого и физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов.

Основные функции любой файловой системы направлены на решение следующих задач:

программный интерфейс работы с файлами для приложений;

отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

содержание параметров файла, необходимых для его правильного взаимодействия с ядром системы, приложениями и другими объектами системы.

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Таким образом, файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов. Файловая система позволяет программам обходиться набором достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл.

Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов. Файловая система связывает носитель информации, с одной стороны, и способ доступа к файлам – с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле и на каком физическом типе носителя: CD, жестком диске, флэш-памяти или другом – он записан. Все, что знает программа, – это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе.

С точки зрения операционной системы весь диск представляет собой набор кластеров (как правило, размером 512 байт и больше). Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и папки (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этой папке). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, а какие помечены как неисправные.

Диск – носитель информации, который может представлять собой физическое устройство или часть пространства носителя, называемого логическим диском. Он именуется одной буквой латинского алфавита с добавлением после нее знака «:» – двоеточия, именование происходит последовательным присвоением латинских букв по алфавиту.

Приведем пример именования дисков в ОС Windows:

A: и B: – накопитель на гибком магнитном диске (съемные дискеты);

C: и D: – накопитель на жестком магнитном диске (винчестер) и логический диск (таких дисков может быть и больше);

E: и F: – накопители на CD- и/или DVD-дисках (берется следующая буква за последней буквой жесткого/логического диска);

K: Z: – сетевые диски (для их именования могут использоваться любые незадействованные буквы).

Файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные (информацию). Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, на дисках. Перечислим основные цели использования файла:

долговременное и надежное хранение информации. Долговременность достигается за счет использования энергонезависимых запоминающих устройств, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах;

совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Данные, с которыми мы работаем, различны, поэтому ОС использует разные средства для их обработки. Чтобы ОС правильно «понимала», что следует выполнить с разного вида данными, их разделяют на несколько типов.

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-папки (каталоги), специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы, и др.

Обычные файлы, или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представленных в каком-либо коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т. п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют коды символов, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов – их собственные исполняемые файлы.

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются следующие виды имен файлов: простое и полное (составное).

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одной папки. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени.

Пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. В файловых системах NTFS и FATЗ2, входящих в состав операционной системы Windows, имя файла может содержать до 255 символов (буквы и цифры латинского и русского алфавита), кроме символов \ / : * ? » | и имен CON, NUL, PRN, AUX, COM19, LPT19.

Вторая часть имени – это тип (расширение, формат), который начинается с символа точки (.) и может включать от 1 до 4 символов. Существуют зарегистрированные типы, по которым ОС связывает файл с приложением (программой), которой он будет открыт. Этот принцип называется объектно-ориентированным подходом ОС. Приведем наиболее распространенные типы файлов и примеры использования имен (таблица).

Типы файлов и простые имена

Веранда. bmp Фотостудия. jpg

Хорошая песня. mp 3 Вальс. wma

Кино. mp 4 Ролик2. avi

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным папкам. То есть здесь работает схема «много файлов – одно простое имя». Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку, состоящую из имени диска, простых символьных имен всех папок (каталогов), через которую проходит путь от корня до данного файла и простого имени файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором имена папок отделены друг от друга обратным слешэм «\», например: d:\папка1\папка2\пример1.txt.

В иерархической файловой системе между файлом и его полным именем имеется однозначное соответствие «один файл – одно полное имя».

В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько папок (каталогов), а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл – много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Теперь дадим определение папки (каталога).

Папка (каталог) – это особый тип файлов, который содержит системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо признаку.

Папки устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами, такими как информация о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу, его размере и дате его создания или модификации. Во всех остальных отношениях папки рассматриваются файловой системой как обычные файлы. Во многих операционных системах в папку могут входить файлы любых типов, в т. ч. другие папки, за счет чего образуется древовидная (иерархическая) структура, удобная для поиска.

С появлением графических ОС появляется еще один вид файла – ярлык.

Ярлык – это файл, содержащий ссылку на объект, программу или команду, а также дополнительную информацию.

Ярлык служит для быстрого доступа к нужному объекту. Его можно размещать в любом месте, выбранном пользователем. Для одного объекта можно создать несколько ярлыков, это можно использовать для запуска одного и того же приложения с разными опциями запуска. Ярлыки отображаются значками, подобными объектам, к которым они созданы, с добавлением стрелочки в нижнем левом углу.

Файлы типа *.lnk и *.pif – это файлы ярлыков. Файлы типа *.lnk – это стандартные ярлыки, создаваемые операционной системой Windows. Существуют файлы типа *.pif – это также ярлыки, но к DOS-приложениям, в свойствах таких ярлыков, кроме стандартных, присутствуют и дополнительные настройки.

Иерархическая (древовидная) структура файловой системы.

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени.

Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что папка более низкого уровня может входить в папку более высокого уровня.

Одноуровневая организация, когда все файлы входят в одну папку (рис. 1), является частным случаем иерархической структуры.

Рис. 1. Одноуровневая файловая система

Граф, описывающий иерархию папок, может быть деревом или сетью. Папки образуют дерево, если файлу разрешено входить только в одну папку (рис. 2), и сеть, если файл может входить сразу в несколько папок (рис. 3).

Рис. 2. Иерархическая многоуровневая файловая система

Рис. 3. Сетевая файловая система

Например, в Windows папки образуют древовидную структуру, а в Unix – сетевую. В древовидной структуре каждый файл является «листом». Папка самого верхнего уровня называется корневой папкой, или корнем (root).

При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра папок найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своей папке или поддереве папок и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты – это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

пароль для доступа к файлу;

информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

время создания, последнего доступа и последнего изменения;

текущий размер файла;

признак «только для чтения»;

признак «скрытый файл»;  признак «системный файл»;

признак «архивный файл»;

признак «временный» (удалить после завершения процесса).

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять – только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Операционная система Windows обеспечивает взаимодействие с пользователем с помощью графического интерфейса. Он позволяет в форме диалога с использованием окон, меню и элементов управления (диалоговые панели, кнопки и т. п.) уверенно работать в среде ОС Windows, т. е. проводить операции с файлами, запускать программы и т. д.

ОС Windows дает возможность пользователю работать с объектами файловой системы различными способами. Для этого используются программы- утилиты – менеджеры файлов. В состав ОС Windows входит программа Explorer, исполнимый файл которой имеет имя explorer.exe.

Базовые действия над объектами, создание, копирование, перемещение, переименование и удаление можно выполнять разными способами: с помощью падающего или контекстного меню, панелей инструментов, клавиатурных эквивалентов или мышью.

В заключение можно выделить следующее:

файловая система представляет собой комплекс системных программных средств, реализующих различные операции с файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов. Под файловой системой также понимают набор всех файлов и служебных структур данных, хранящихся на внешнем носителе;

современные файловые системы имеют иерархическую структуру, упрощающую именование файлов и их поиск;

файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно за- писывать и из которой можно считывать данные;

папка (каталог) – это особый тип файлов, которые содержат информацию следующего вида: имена и тип объектов, их размеры, дату и время создания или модификации и атрибуты (свойства);

ярлык – особый тип файла (*.lnk), содержащий ссылку, для быстрого обращения к объекту, т. е. его запуск.