Методическое пособие по выполнению практического занятия №3 «Программный интерфейс и файловая система ОС WINDOWS» по дисциплине «Операционные системы» для специальности 230115 Программирование в компьютерных системах
методическая разработка по теме

Методическое пособие создано для реализации основной профессиональной образовательной программы в соответствии с ФГОС по специальности СПО 230115 Программирование в компьютерных системах (базовой подготовки) и в соответствии с Рабочей программой дисциплины «Операционные системы».

Целью данной работы является ознакомление с назначением и функциями программного интерфейса Windows API, ознакомление с файловыми системами операционных систем Windows, составление сравнительной таблицы файловых систем для операционных систем Windows.

Скачать:

Вложение	Размер
prakticheskoe_zanyatie_no3.docx	87.17 КБ

Предварительный просмотр:

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова»

По учебно-методической работе

Дисциплина: ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Методическое пособие по выполнению

ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ № 3

Программный интерфейс и файловая система

(для специальности 230115 Программирование в компьютерных системах)

Автор: Г.Ш. Шакирова

Рассмотрено на заседании

Цикловой комиссии 230113

Компьютерные системы и комплексы

Протокол №____ от «_____»_____2014 г.

Председатель цикловой комиссии

Практическое занятие № 3

Программный интерфейс и файловая система ОС Windows

Цель работы : ознакомиться с назначением и функциями программного интерфейса Windows API, ознакомиться с файловыми системами операционных систем Windows.

Задание: составить конспект «Программный интерфейс», составить сравнительную таблицу файловых систем для операционных систем Windows.

Программный интерфейс операционных систем Windows

Программный интерфейс — система унифицированных связей, предназначенных для обмена информацией между компонентами одной или нескольких вычислительных систем. Программный интерфейс задает набор необходимых процедур, их параметров и способов обращения.

Для программиста – разработчика программных средств программный интерфейс понимается, прежде всего, как API (англ. Application Programming Interface — интерфейс программирования приложений; по-русски чаще произносят [апи́]) — набор методов (функций), который программист может использовать для доступа к функциональности программного компонента (программы, модуля, библиотеки). API является важной абстракцией, описывающей функциональность «в чистом виде», безотносительно того, как реализована эта функциональность.

Прикладные программы – антивирусы, офисные приложения или игры – не могут напрямую обращаться к процессору или осуществлять вывод результатов на экран монитора. Если бы в код программы нужно было добавлять модули для выполнения всех таких стандартных операций, разработка программного обеспечения превратилась бы в довольно трудную задачу, а размер каждой программы был невообразимо большим. Поэтому на практике каждое приложение использует готовые функции операционной системы, которые и позволяют отображать картинку на экране или, например, выполнять распечатку текста.

Вызов этих функций происходит через специальные программные интерфейсы (API), которые связывают прикладные программы с операционной системой и устройствами компьютера. Если программе требуется записать файл на диск, она обращается к функции сохранения данных Windows. Приложение дает указание операционной системе: «Сохрани файл AБВГД на жесткий диск!», а Windows принимает эту команду и проделывает всю необходимую для записи файла работу: находит на жестком диске свободную область, резервирует это место под будущий файл и затем записывает туда информацию. Кроме того, система информирует программу о результате операции: прошло ли создание файла успешно или же возникли какие-либо проблемы. Таким образом, операционная система выступает «посредником» между программой и устройствами компьютера. В Windows функции посредника выполняет Win32 или 32-разрядный API. Для современных версий Windows самым известным графическим программным интерфейсом является DirectX – он служит для поддержки различных графических режимов.

Программы, разработанные для Windows, в большинстве случаев не будут работать под управлением других операционных систем, например, Linux или Mac OS. При этом верно и обратное, то есть программа для Mac OS не будет работать под управлением Windows. Основная причина этого кроется в том, что в системах используются уникальные API, на работу с которыми рассчитаны прикладные программы.

Для программиста – системного интегратора программный интерфейс это, прежде всего способ (правила, протокол, стандарт, язык) обмена данными между различными программами и/или информационными системами. Различные программные средства разрабатываются с помощью различных языков программирования и используют различные системы управления базами данных. В этой ситуации единственным способом организации обмена данными является их внешнее представление (экспорт) в каком-либо общепринятом формате и, соответственно, наличие средств понимания (импорта) внешних данных.

API – интерфейс прикладного программирования (иногда интерфейс программирования приложений). Другими словами, это те возможности (функции, переменные, константы, классы), которые предоставляет приложение для использования прикладными программами.

API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована.

Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как чёрный ящик, то API — это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дёргать, при этом ящик будет производить какие-то определенные действия понятные и необходимые пользователю, но пользователь, при этом, не имеет даже представления о их реализации.

Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию – высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов.

API операционных систем

Практически все операционные системы (Unix, Windows, Mac OS, и т. д.) имеют API, с помощью которого программисты могут создавать приложения для этой операционной системы. Главный API операционных систем – это множество системных вызовов.

В индустрии программного обеспечения общие стандартные API для стандартной функциональности имеют важную роль, так как они гарантируют, что все программы, использующие общий API, будут работать одинаково хорошо или, по крайней мере, типичным привычным образом. В случае API графических интерфейсов это означает, что программы будут иметь похожий пользовательский интерфейс, что облегчает процесс освоения новых программных продуктов.

Windows API – общее наименование целого набора базовых функций интерфейсов программирования приложений операционных систем семейств Windows (от Windows 3.11 до Windows 98) и Windows NT корпорации «Microsoft». Является самым прямым способом взаимодействия приложений с Windows. Для создания программ, использующих Windows API, «Microsoft» выпускает SDK, который называется Platform SDK и содержит документацию, набор библиотек, утилит и других инструментальных средств.

Windows API был изначально спроектирован для использования в программах, написанных на языке C (или C++). Работа через Windows API — это наиболее близкий к системе способ взаимодействия с ней из прикладных программ. Более низкий уровень доступа, необходимый только для драйверов устройств, в текущих версиях Windows предоставляется через Windows Driver Model.

Win32 – 32х разрядный API для современных версий Windows. Самая популярная ныне версия. Базовые функции этого API реализованы в DLL kernel32.dll и advapi32.dll; базовые модули GUI — в user32.dll и gdi32.dll. Win32 появился вместе с Windows NT и затем был перенесён (в несколько ограниченном виде) в системы серии Windows 9x. В современных версиях Windows, происходящих от Windows NT, работу Win32 GUI обеспечивают два модуля: csrss.exe (Client/Server Runtime Subsystem), работающий в пользовательском режиме, и win32k.sys в режиме ядра. Работу же системных Win32 API обеспечивает ядро — ntoskrnl.exe

Win64 — 64-разрядная версия Win32, содержащая дополнительные функции для использования на 64-разрядных компьютерах. Win64 API можно найти только в 64-разрядных версиях Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows Server 2008 R2 и Windows 7.

Центральным понятием программирования в среде Windows является сообщение. Система посылает сообщение приложению, а то, в свою очередь, должно правильно отреагировать на него. Получателями сообщений являются функции окон приложения, на программирование которых и уходит большая часть времени при разработке API-приложений.

Классическая структура API-программы определяется четырьмя компонентами: инициализация; цикл ожидания, или цикл обработки сообщений; функция главного окна; другие функции. В простейшем случае последний компонент может отсутствовать. Два первых компонента располагаются в функции WinMain, остальные реализуются отдельными функциями.

Windows API спроектирован для использования в языке Си для написания прикладных программ, предназначенных для работы под управлением операционной системы MS Windows. Работа через Windows API — это наиболее близкий к операционной системе способ взаимодействия с ней из прикладных программ. Более низкий уровень доступа, необходимый только для драйверов устройств, в текущих версиях Windows предоставляется через Windows Driver Model.

Windows API представляет собой множество функций, структур данных и числовых констант, следующих соглашениям языка Си. Все языки программирования, способные вызывать такие функции и оперировать такими типами данных в программах, исполняемых в среде Windows, могут пользоваться этим API. В частности, это языки C++, Pascal, Visual Basic и многие другие.

Для облегчения программирования под Windows, в компании Microsoft и сторонними разработчиками было предпринято множество попыток создать библиотеки и среды программирования, частично или полностью скрывающие от программиста особенности Windows API, и предоставляющие ту или иную часть его возможностей в более удобном виде. В частности, сама Microsoft в разное время предлагала библиотеки Active Template Library (ATL)/Windows Template Library (WTL), Microsoft Foundation Classes (MFC), .Net/WinForms/WPF. Компания Borland (ныне Embarcadero, её преемник в части средств разработки) предлагала OWL и VCL. Есть кросс-платформенные библиотеки, такие как Qt, Tk и многие другие. Весомая часть этих библиотек сконцентрирована на облегчении программирования графического интерфейса пользователя.

Для облегчения переноса на другие платформы программ, написанных с опорой на Windows API, сделана библиотека Wine.

Файловые системы операционных систем Windows

Одной из важнейших характеристик операционной системы помимо управления памятью, ресурсами компьютера и задачами является поддержка файловой системы — основного хранилища системной и пользовательской информации. Каждая файловая система имеет свои достоинства и недостатки, которые мы обсудим ниже.

В различных операционных системах фирмы Microsoft поддерживаются различные файловые системы (табл. 1).

Как осуществляется взаимодействие прикладных программ и Windows?

Что такое Windows?

Любая операционная система, будь то Windows, MacOS X или Linux, работает по одному и тому же принципу: она автоматически загружается после включения компьютера и управляет работой всех его компонентов (центральным процессором, видеокартой и жесткими дисками).

Именно «операционка» обеспечивает работу всех прикладных программ, позволяя, например, текстовому редактору распечатывать документы, а браузеру – отображать веб-страницы.

Операционные системы на первых персональных компьютерах – MS DOS и ее клоны – управлялись командной строкой: пользователь должен был набирать все команды и запускать их на выполнение нажатием клавиши [Enter]. Однако с тех пор все радикально изменилось.

Само название Windows отражает суть нового принципа взаимодействия пользователя с программами: каждое приложение запускается в своем собственном окне, а пользователь имеет доступ ко всем открытым окнам. Переключение между ними и управление программой в отдельном окне может быть выполнено как посредством клавиатурных команд, так и с помощью мыши (но в обоих случаях вам не придется вводить команды – достаточно будет выбрать нужные пункты меню).

Как работает Windows?

Windows состоит из набора компонентов, образующих иерархическую структуру, на каждом уровне которой выполняются определенные задачи:

1. на самом нижнем уровне располагается ядро ОС – его еще называют «сердцем операционной системы». «Нижний» в данном контексте означает близость к аппаратным компонентам ПК, с которыми ядро взаимодействует напрямую. Оно осуществляет общее управление всеми происходящими в Windows процессами – например, определяет, сколько вычислительной мощности процессора нужно выделить той или иной программе. Windows всегда старается так распределить системные ресурсы, чтобы параллельно работающие приложения получали их в достаточном количестве;

2. системные функции – компонент, расположенный «над ядром» ОС и, отвечающий за выполнение системных функций – например, за работу службы автоматического обновления Windows;

3. подсистема Win32 – располагается на третьем уровне и предоставляет прикладным программам важнейшие интерфейсы.

4. программные интерфейсы (API) – располагаются на последнем уровне и отвечают за доступность различных технологий Windows, используемых, например, более ранними версиями программ или играми.

Как осуществляется взаимодействие прикладных программ и Windows?

Прикладные программы – антивирусы, офисные приложения или игры – не могут напрямую обращаться к процессору или осуществлять вывод результатов на экран монитора.

Разработка программного обеспечения превратилась бы в довольно трудную задачу, если бы в код программы нужно было добавлять модули для выполнения всех стандартных операций.

Каждое приложение использует готовые функции операционной системы, которые и позволяют отображать картинку на экране или, например, выполнять распечатку текста.

Вызов этих функций происходит через специальные программные интерфейсы (API), которые связывают прикладные программы с операционной системой и устройствами компьютера.

Если программе требуется записать файл на диск, она обращается к функции сохранения данных Windows. Приложение дает указание операционной системе: «Сохрани файл AБВГД на жесткий диск!», а Windows принимает эту команду и проделывает всю необходимую для записи файла работу: находит на жестком диске свободную область, резервирует это место под будущий файл и затем записывает туда информацию. Кроме того, система информирует программу о результате операции: прошло ли создание файла успешно или же возникли какие-либо проблемы.

Как видите, Windows выступает «посредником» между программой и устройствами компьютера. Самый известный программный интерфейс называется DirectX – он служит для поддержки различных графических режимов в играх.

Программы, разработанные для Windows, в большинстве случаев не будут работать под другими ОС (например, Linux или Mac OS); заметим, что и обратное тоже верно (то есть программа для Mac OS не будет работать под управлением Windows). Основная причина этого кроется в том, что в системах используются уникальные API, на работу с которыми рассчитаны прикладные программы.

Сколько версий Windows существует?

Их очень много – больше дюжины. Microsoft подразделяет все операционные системы Windows на две категории:

1. пользовательские – в их число входят такие ОС, как Windows 98, XP и Vista – предназначены для домашнего или офисного использования. Наиболее распространенной является Windows XP, а самой новой – Windows Vista.

2. серверные – такие системы, как Windows Server 2003 или 2008, существуют в нескольких версиях, отличающихся производительностью. Они устанавливаются на серверы, которые выполняют обслуживание многопользовательской сети.

С момента выпуска Windows XP компания Microsoft стала разделять операционную систему на несколько версий:

— Home Edition – это стандартная версия Windows XP, которая обычно предустанавливается на новые компьютеры;

— Professional – в этой версии имеются дополнительные сетевые функции, которые, однако, вряд ли пригодятся большинству индивидуальных пользователей;

— Media Center – версия, выпущенная в 2004 году, в которой реализован дополнительный Рабочий стол, подходящий для отображения на экране телевизора.

В самой новой версии Windows – Vista – не так-то просто выбрать подходящий вариант системы – их целых шесть:

— Home Basic – самая простая версия ОС, предназначенная для работы с фотографиями, видеофильмами и музыкой. Кроме того, в нее включены такие стандартные программы, как Internet Explorer и Почта Windows.

— Home Premium – эта версия предустановлена на большинстве новых компьютеров. От версии Basic ее отличает наличие элегантного Aero-интерфейса, а также дополнительные функции для работы с мультимедийным содержимым.

— Business – версия, предназначенная для использования на предприятиях благодаря наличию в ней сетевых функций.

— Ultimate – эта версия сочетает в себе возможности версий Home Premium и Business. Она задумана как система для профессионалов, которые используют компьютер для решения бизнес-задач, но при этом не отказываются и от работы с мультимедийным контентом.

— Enterprise – эта версия доступна для предприятий и компаний, заключивших с Microsoft специальный договор. По сути, она представляет собой расширенный вариант Business Edition.

Когда появилась Windows?

В апреле 1983 года компания Microsoft впервые представила так называемый Interface Manager, разработанный ей для собственной операционной системы MS-DOS. С помощью него можно было одновременно запускать на компьютере несколько программ, например, текстовый редактор и табличный процессор. На жаргоне программистов эти отдельно исполняемые программы стали называться окнами – так вскоре родилось название «Windows», и с таким именем появилась в 1985 году первая версия Windows – 1.0.

Вы уже привыкли к тому, что после запуска системы на экране монитора появляется Рабочий стол с расположенными на нем ярлыками. А вот при запуске Windows 1.0 на экране можно было видеть только содержимое жесткого диска. Чтобы запустить программу, пользователь должен был сначала перейти в нужную папку на диске, затем найти в ней файл программы и только потом запустить его двойным щелчком мыши или нажатием клавиши Enter на клавиатуре.

Windows 1.0 поставлялась на двух дискетах и состояла из 90 файлов, общий объем которых равнялся 2 Мб. С выходом каждой новой версии запросы системы к занимаемому ей месту на диске росли: для Windows Vista уже требуется около 12 Гб дискового пространства и состоит она из примерно 73 тысяч файлов, то есть эта ОС в 6000 раз объемнее, чем Windows 1.0.

Что умеет Windows?

В составе операционных систем Windows XP и Vista имеется множество утилит, которые нужны в повседневной работе. Вот наиболее важные из них:

1. с помощью Проигрывателя Windows Media, Фотогалереи и Media Center легко и удобно просматривать фотографии и фильмы, а также слушать музыку. Программы Movie Maker и DVD Maker помогут смонтировать фильм из отдельных видеоклипов и записать его на оптический диск;

2. заниматься веб-серфингом вы можете с помощью встроенного в систему браузера Internet Explorer. Для приема и отправки электронных сообщений предназначены Outlook Express или почтовый клиент Windows Mail в Vista;

3. для управления файлами и папками как нельзя лучше подойдет Проводник Windows, а сохранить текущие настройки и файлы на случай непредвиденных сбоев системы позволит утилита «Восстановление системы»;

4. на страже безопасности системы стоит «Брандмауэр Windows», а «Центр безопасности» проинформирует о том, насколько хорошо защищен компьютер, а также загружены ли последние обновления системы. В Windows Vista, помимо этого, имеется средство защиты от сетевых атак «Защитник Windows» и функции родительского контроля и контроля учетных записей пользователя.

5. Прочие полезные утилиты – программа звукозаписи, текстовый редактор, калькулятор и графический редактор – также входят в состав стандартной поставки Windows. В Vista имеются и средства для распознавания голоса, которые позволяют управлять компьютером с помощью голосовых команд (пока только в англоязычной версии ОС).

Singularity

За закрытыми дверями лабораторий Microsoft идет процесс создания «с нуля» абсолютно новой операционной системы, оснащенной другим ядром. Она будет лишена недостатков предыдущих версий Windows, и как результат, ей потребуется заметно меньше памяти для работы: 20 Мб против 300 или 500 Мб Windows Vista.

Ядро Singularity будет поддерживать новые функции безопасности. Программы теперь не смогут напрямую обращаться к операционной системе или другим приложениям. Все подобные обращения будут отслеживаться специальными «охранниками», и система даст разрешение на их исполнение, только если они будут признаны безопасными.

Что такое Windows?

Любая операционная система, будь то Windows, MacOS X или Linux, работает по одному и тому же принципу: она автоматически загружается после включения компьютера и управляет работой всех его компонентов (центральным процессором, видеокартой и жесткими дисками).

Именно «операционка» обеспечивает работу всех прикладных программ, позволяя, например, текстовому редактору распечатывать документы, а браузеру – отображать веб-страницы.

Операционные системы на первых персональных компьютерах – MS DOS и ее клоны – управлялись командной строкой: пользователь должен был набирать все команды и запускать их на выполнение нажатием клавиши [Enter]. Однако с тех пор все радикально изменилось.

Само название Windows отражает суть нового принципа взаимодействия пользователя с программами: каждое приложение запускается в своем собственном окне, а пользователь имеет доступ ко всем открытым окнам. Переключение между ними и управление программой в отдельном окне может быть выполнено как посредством клавиатурных команд, так и с помощью мыши (но в обоих случаях вам не придется вводить команды – достаточно будет выбрать нужные пункты меню).

Как работает Windows?

Windows состоит из набора компонентов, образующих иерархическую структуру, на каждом уровне которой выполняются определенные задачи:

1. на самом нижнем уровне располагается ядро ОС – его еще называют «сердцем операционной системы». «Нижний» в данном контексте означает близость к аппаратным компонентам ПК, с которыми ядро взаимодействует напрямую. Оно осуществляет общее управление всеми происходящими в Windows процессами – например, определяет, сколько вычислительной мощности процессора нужно выделить той или иной программе. Windows всегда старается так распределить системные ресурсы, чтобы параллельно работающие приложения получали их в достаточном количестве;

2. системные функции – компонент, расположенный «над ядром» ОС и, отвечающий за выполнение системных функций – например, за работу службы автоматического обновления Windows;

3. подсистема Win32 – располагается на третьем уровне и предоставляет прикладным программам важнейшие интерфейсы.

4. программные интерфейсы (API) – располагаются на последнем уровне и отвечают за доступность различных технологий Windows, используемых, например, более ранними версиями программ или играми.

Как осуществляется взаимодействие прикладных программ и Windows?

Прикладные программы – антивирусы, офисные приложения или игры – не могут напрямую обращаться к процессору или осуществлять вывод результатов на экран монитора.

Разработка программного обеспечения превратилась бы в довольно трудную задачу, если бы в код программы нужно было добавлять модули для выполнения всех стандартных операций.

Каждое приложение использует готовые функции операционной системы, которые и позволяют отображать картинку на экране или, например, выполнять распечатку текста.

Вызов этих функций происходит через специальные программные интерфейсы (API), которые связывают прикладные программы с операционной системой и устройствами компьютера.

Если программе требуется записать файл на диск, она обращается к функции сохранения данных Windows. Приложение дает указание операционной системе: «Сохрани файл AБВГД на жесткий диск!», а Windows принимает эту команду и проделывает всю необходимую для записи файла работу: находит на жестком диске свободную область, резервирует это место под будущий файл и затем записывает туда информацию. Кроме того, система информирует программу о результате операции: прошло ли создание файла успешно или же возникли какие-либо проблемы.

Как видите, Windows выступает «посредником» между программой и устройствами компьютера. Самый известный программный интерфейс называется DirectX – он служит для поддержки различных графических режимов в играх.

Программы, разработанные для Windows, в большинстве случаев не будут работать под другими ОС (например, Linux или Mac OS); заметим, что и обратное тоже верно (то есть программа для Mac OS не будет работать под управлением Windows). Основная причина этого кроется в том, что в системах используются уникальные API, на работу с которыми рассчитаны прикладные программы.