Операционные системы, среды и оболочки

Задачи ОС по управлению файлами и устройствами
Подсистема ввода-вывода ОС при обмене данными с внешними устройствами должна решать ряд общих задач:
Организация параллельной работы устройства ввода-вывода и процессора;
Согласование скоростей обмена и кэширования данных;
Разделение устройств и данных между процессами;
Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;
Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;
Динамическая загрузка и выгрузка драйверов;
Поддержка файловых систем;
Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Организация параллельной работы устройства ввода-вывода и процессора
Каждое устройство ввода-вывода – диск, принтер, терминал – имеет блок управления (контроллер устройства).
Контроллер взаимодействует с драйвером – системным программным модулем, предназначенным для управления устройством. Под управлением контроллера устройство может работать некоторое время автономно от команд ОС.
Подсистема ввода-вывода должна обеспечить работу – запуск и приостановку разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера.
С другой стороны, необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода.

Согласование скоростей обмена и кэширования данных
При обмене информации в системе возникает задача согласования скорости выполняемых процессов. Согласование скорости осуществляется за счет буферизации данных в оперативной памяти и синхронизации доступа процессов к буферу.
В некоторых случаях свободной оперативной памяти недостаточно для буферизации данных. Для размещения данных в буфере используются специальные файлы – спул-файлы.
Другой способ – использование буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Например, использование памяти, устанавливаемой на видеоадаптерах.

Разделение устройств и данных между процессами
Устройства ввода-вывода могут предоставляться процессам в монопольном и разделяемом режимах.
Задача ОС обеспечить контроль доступа к данным ресурсам системы путем проверки прав пользователя, от имени которых выполняется процесс. Операционная система имеет возможность контролировать доступ не только к устройству в целом, но и к отдельным порциям данных.
При разделении устройства между процессами возникает необходимость в разграничении порции данных от двух процессов. Для хранения очереди заданий применяется спул-файл, который синхронизирует скорости работы устройства и оперативной памяти.

Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы
Разнообразие устройств ввода-вывода делает актуальной задачу создания экранирующего интерфейса между периферийными устройствами и приложениями.
Современные ОС поддерживают файловую модель работы устройств, при котором устройства представляются набором байт, с которыми работают посредством унифицированных системных вызовов (read, write).
Для детализации конкретных свойств используются специфические модели устройств конкретного типа – графическая подсистема, принтер, сетевые адаптеры и т.д.

Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера
Достоинством подсистемы ввода-вывода операционной системы является разнообразие устройств, поддерживаемых данной ОС.
Для создания драйверов необходимо наличие удобного и открытого интерфейса между драйверами и другими компонентами ОС.
Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС, а с другой стороны – с контроллерами внешних устройств. Драйвер имеет два интерфейса DKI (driver kernel interface) и DDI (driver device interface).
Ядро ОС
Драйвер устройства
Контроллер устройства
DKI
DDI

Динамическая загрузка и выгрузка драйверов
Другой проблемой работы с устройствами ввода-вывода является проблема включения драйвера в состав работающей ОС – динамическая загрузка/выгрузка драйверов.
Способность системы автоматически загружать и выгружать из оперативной памяти требуемый драйвер повышает универсальность ОС.
Альтернативой динамической загрузке драйверов при изменении текущей конфигурации внешних устройств является повторная компиляция кода ядра с требуемым набором драйверов. Пример – некоторые версии UNIX.

Поддержка файловых систем
Внешняя память вычислительной системы представляет собой периферийные устройства, на которых хранится большая часть пользовательской информации и системных данных.
Для организации хранения информации на внешних носителях используется файловая модель.
Для обеспечения доступа к данным используется специальный программный слой, обеспечивающий поддержку работы с конкретной файловой системой – драйверы файловой системы.
Для обеспечения возможности работы с несколькими файловыми система применяется подход, основанный применении специального слоя, с которым взаимодействую приложения ОС – например, слой VFS (virtual file system) в некоторых версиях UNIX.

Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода
Операции ввода-вывода по отношению к программному приложению выполняются в синхронном или асинхронном режимах.
Синхронный режим – приложение приостанавливает свою работу и ждет отклика от устройства.
Асинхронный режим – приложение продолжает работу, параллельно с ожиданием отклика от устройства.
Операционные системы для разных приложений должны обеспечить синхронную и асинхронную работу с утройствами.

Многослойная модель подсистемы ввода-вывода
Системные вызовы
VFS
диспетчер окон
HTTP
FTP
SMB
UFS
NTFS
FAT
TCP/UDP
SPX
дисковый кэш
IP
IPX
NetBEUI
драйвер HD
драйвер FD
Ethernet
ATM
Диспетчер прерываний
API
Диски
Графические устройства
Сетевые устройства
Байт-ориентированный интерфейс
Блок-ориентированный интерфейс
Графические драйверы

Менеджеры ввода-вывода
Для координации работы драйверов в подсистеме ввода-вывода выделяется специальный модуль, называемый менеджером ввода-вывода.
Верхний слой менеджера составляют системные вызовы ввода-вывода, которые получают запросы от приложений и переадресуют их определенным драйверам.
Нижний слой реализует взаимодействие с контроллерами внешних устройств, экранируя драйверы от особенностей аппаратной платформы компьютера.
Еще одна функция менеджера ввода-вывода – организация взаимодействия модулей ввода-вывода с модулями других подсистем (управление процессами, виртуальной памятью и т.д.).

Специальные файлы
Для унификации операций и структуризации программного обеспечения ввода-вывода устройства рассматриваются как некоторые специальные (виртуальные) файлы.
Такой подход позволяет использовать общий набор базовых операций ввода-вывода для любых устройств, экранировать специфику устройства.
Например, в операционных системах семейства UNIX, специальные файлы помещаются в каталог /dev. При появлении нового устройства администратор имеет возможность создать новую запись с помощью команды mknod.

Логическая организация файловой системы
Одной из основных задач ОС – предоставление удобного пользовательского интерфейса при работе с данными, хранящимися на носителях. Логическая модель в рамках ОС подменяет физическую модель размещения данных на носителях.
Файл – именованная область внешней памяти, в которую могут записываться и откуда могут считываться данные. Применение файлов позволяет решить следующие задачи:
Долговременное хранение информации;
Совместное использование информации.

Файловая система
Файловая система – часть ОС, включающая:
Совокупность всех файлов на дисках;
Наборы структур данных, используемых для управления (каталоги, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства);
Комплекс системных программных средств, реализующих операции над файлами (создание, удаление, чтение, запись, именование и поиск файлов).
В многопользовательских системах добавляются функции по обеспечению защиты данных от несанкционированного доступа.
Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов:
Обычные файлы;
Каталоги;
Ссылки;
Именованные каналы;
Конвейеры и т.д.

Иерархическая структура файловой системы
Пользователи обращаются к файлам по их символьным именам. Для удобства пользователя логическая структура хранения данных представляет иерархическую структуру.
Граф, описывающий структуру файловой системы может представлять собой дерево или сеть.
В Windows используется древовидная организация, в UNIX – сетевая.
Windows
i386
system32
at.exe

Имена файлов
Каждый файл имеет некоторое символьное имя. В иерархических системах выделяют три типа имен файлов:
Простое (имя файла в пределах одного каталога)
Полное (цепочка простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до файла)
Относительное (имя включает имена каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога к искомому файлу).
В различных операционных системах есть свои ограничения на использование символов при присвоении имени, а также на длину относительного и полного имени файла.

Монтирование файловой системы
В общем случае вычислительная система может иметь несколько устройств внешней памяти. Для обеспечения доступа к данным, хранящимся на разных носителях используются два подхода:
На каждом устройстве размещается автономная файловая система, со своим деревом каталогов (например, в MS-DOS накопители нумеруются a:, c: и т.д.).
Монтирование файловой системы – операция объединения файловых систем в единую файловую систему (например, в операционных системах семейства UNIX).

Атрибуты файла
Тип файла
Владелец файла
Создатель файла
Пароль для доступа к файлу
Информация о разрешенных операциях к файлу
Время создания, последнего доступа и модификации файла
Признак «только для чтения»
Признак «скрытый файл»
Признак «системный файл»
Признак «двоичный/ символьный файл»
Признак «временный файл»
Признак блокировки
Длина записи в файле
Др.
Атрибут – информация, описывающая некоторые свойства файла, например: