Операционные системы и среды. Файловая система и ввод, и вывод информации

1. Операционные системы и среды

Файловая система и ввод, и вывод
информации

2. Типы внешних устройств

Типы внешних устройств. Внешние устройства, выполняющие
операции ввода-вывода, можно разделить на три группы:
• устройства, работающие с пользователем. Используются
для связи пользователя с компьютером. Сюда относятся
принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь,
трекбол, джойстики) и т.п.;
• устройства, работающие с компьютером. Используются для
связи с электронным оборудованием. К ним можно отнести
дисковые устройства и устройства с магнитными лентами,
датчики, контроллеры, преобразователи;
• коммуникации. Используются для связи с удаленными
устройствами. К ним относятся модемы и адаптеры
цифровых линий

3. Типы внешних устройств

По другому признаку устройства ввода-вывода
можно разделить на
• блок-ориентированные устройства
• байт-ориентированные (символьные)
Типичным блок-ориентированным
устройством является диск. Обмен
информацией с дисками и адресация
информации выполняется блоками.
Для байт-ориентированных устройств
характерна потоковая передача информации и
отсутствие адресации. Клавиатура,
манипулятор-мышь, сетевой адаптер
представляют данную разновидность внешних
устройств.

4. Типы внешних устройств

Внешнее устройство обычно состоит из механического и
электронного компонентов. Механический компонент
представляет собственно устройство (не надо понимать
дословно) – диск, принтер, монитор. Электронный компонент
называется контроллером устройства или адаптером
В ПК контроллер принимает
форму платы, вставляемой в слот
расширения. Плата имеет
разъем, к которому
подключается кабель, ведущий к
самому устройству.
Операционная система обычно
имеет дело не с устройством, а с
контроллером

5. Подсистема ввода-вывода

Обмен данными между пользователями, приложениями и
периферийными устройствами компьютера выполняет
специальная подсистема ОС – подсистема ввода-вывода.
Основными компонентами подсистемы ввода-вывода
являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и
файловая система. В работе подсистемы ввода-вывода
активно участвует диспетчер прерываний.
Файловая система – это основное хранилище информации в
любом компьютере.
Для персональных компьютеров операции ввода-вывода могут
выполняться тремя способами.
• с помощью программируемого ввода-вывода;
• ввод-вывод, управляемый прерываниями;
• прямой доступ к памяти (direct memory access – DMA).

6. Многослойная модель подсистемы вводы-вывода

Многослойная модель подсистемы вводывывода

7. Многослойная модель подсистемы вводы-вывода

Чаще всего ПО ввода-вывода делят на четыре слоя:
• обработка прерываний;
• драйверы устройств;
• независимый от устройств слой операционной
системы;
• пользовательский слой программного
обеспечения.
Обработка прерываний. Наилучший способ состоит
в разрешении процессу, инициировавшему
операцию ввода-вывода, блокировать себя до
завершения операции и наступления прерывания.
При наступлении прерывания процедура обработки
прерывания выполняет разблокирование процесса,
инициировавшего операцию ввода-вывода.

8. Многослойная модель подсистемы вводы-вывода

Драйверы устройств. Драйвер устройства принимает
запрос от устройств программного слоя и решает, как его
выполнить. Если драйвер был свободен во время поступления
запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если
же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь
поступивший запрос присоединяется к очереди уже
имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его
очередь.
Если операция занимает значительное время, то драйвер
блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и
обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда
ввода-вывода выполняется быстро, то драйвер ожидает ее
завершения без блокирования.

9. Многослойная модель подсистемы вводы-вывода

Независимый от устройств слой операционной системы.
Типичными функциями для независимого от устройств слоя
являются:
• обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств,
• именование устройств,
• защита устройств,
• обеспечение независимого размера блока,
• буферизация,
• распределение памяти на блок-ориентированных
устройствах,
• распределение и освобождение выделенных устройств,
• уведомление об ошибках.

10. Многослойная модель подсистемы вводы-вывода

Пользовательский слой программного обеспечения. Хотя
большая часть программного обеспечения ввода-вывода
находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в
библиотеках, связываемых с пользовательскими
программами. Системные вызовы, включающие вызовы
ввода-вывода, обычно делаются библиотечными
процедурами, которые выполняют ввод-вывод и работают как
часть пользовательской программы.

11. Файловая система

Файловая система – это часть операционной системы,
включающая:
• совокупность всех файлов на носителе информации
(магнитном или оптическом диске, магнитной ленте и др.);
• наборы структур данных, используемых для управления
файлами, каталоги и дескрипторы файлов, таблицы
распределения свободного и занятого пространства на диске и
др.);
• комплекс системных программных средств, реализующих
различные операции над файлами (создание, уничтожение,
чтение, запись и др.).
Файлы – именованный набор данных. Файл может
идентифицироваться по имени.

12. Файловая система

Минимальным набором требований к файлам системы со
стороны пользователя можно считать следующую совокупность
возможностей:
• создание, удаление, чтение и изменение файлов;
• контролируемый доступ к файлам других пользователей;
• управление доступом к своим файлам;
• реструктурирование файлов в соответствии с решаемой
задачей;
• перемещение данных между файлами;
• резервирование и восстановление файлов в случае
повреждения;
• доступ к файлам по символьным именам.
Файловые системы поддерживают несколько различных
типов файлов, в число которых входят обычные файлы,
файлы-каталоги, специальные файлы, именованные
конвейеры, отображаемые в память файлы и др.

13. Файловая система

• Обычные файлы, или просто файлы, или регулярные файлы,
содержат информацию, которую в них заносит пользователь или
которая образуется в результате работы системных и
пользовательских программ.
• Каталоги – это системные файлы, обеспечивающие поддержку
структуры файловой системы. Они содержат системную справочную
информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователем по
какому-либо неформальному признаку (договоры, рефераты,
курсовые проекты и т.п.).
• Специальные файлы – это фиктивные файлы, ассоциированные с
устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации
механизма доступа к последовательным устройствам ввода-вывода,
таким как терминалы, принтеры и др.
• Именованные каналы типы файлов, используемые для связи между
процессами.
• Наконец, отображаемые файлы – это обычные файлы,
отображенные на адресное пространство процесса по указанному
виртуальному адресу

14. Логическая организация файлов

Смешанный файл. Данные накапливаются в порядке
поступления. Запись состоит из одного пакета данных. Записи
могут иметь различные или одинаковые поля, расположенные в
различном порядке. Каждое поле описывает само себя, включая
как имя, так и значение. Длина каждого поля должна быть
указана явно либо посредством применения разделителя.
Доступ к записи осуществляется полным перебором всех
записей файла. Смешанные файлы применяются в том случае,
когда данные накапливаются и сохраняются перед обработкой.

15. Логическая организация файлов

Последовательный файл или Последовательность блоков
переменной длины. Для записей используется фиксированный
формат. Все записи имеют одинаковую длину (но иногда и не
одинаковую) и состоят из одинакового количества блока
фиксированной длины, организованных в определенном
порядке. Поскольку длина и позиция каждого блока известны,
сохранению подлежат только значения блока. Атрибутами
файловой структуры является имя и длина каждого блока.

16. Логическая организация файлов

Индексно-последовательный файл. В этом случае файл состоит
из трех частей (файлов): главный файл, содержащий записи с
последовательно идущими ключами, индексный файл,
содержащий индексное поле, и указатель в главный с ключами,
файл переполнения.

17. Логическая организация файлов

Файл прямого доступа. В реальной практике файлы хранятся на
устройствах прямого доступа, например на дисках, поэтому
содержимое файла может быть разбросано по разным блокам
диска, которые можно считывать в произвольном порядке.
Причем номер блока однозначно определяется позицией внутри
файла.

18. Физическая организация файлов

Последовательность блоков (непрерывное размещение). Блоки,
принадлежащие файлу, следуют по порядку их физических адресов. В
каталоге указывается адрес первого блока, количество блоков или
последний блок (рис. А).
Связанный список блоков. Первое слово каждого блока (кластера)
используется как указатель на следующий блок (кластер). Проблемой
является большое время доступа к информации в конце файла. Все
блоки нужно последовательно перебрать. Информация о следующем
блоке является частью блока, на это уходит некоторое количество
памяти (рис. Б).

19. Физическая организация файлов

Связанный список индексов. Метод предложен Microsoft. Он
основан на применении таблицы размещения файла (File
Allocation Table, FAT).
Индекс блока в таблице и его физическое положение на диске
связаны линейным преобразованием. Файлу выделяется память
на диске в виде связного списка блока. Номер первого блока
запоминается в записи каталога, где хранятся характеристики
этого файла. С каждым кластером диска связывается индекс.
Индексы располагаются в FAT-таблице в отдельной области
диска.

20. Физическая организация файлов

Непосредственное перечисление блоков и способы,
использующие сбалансированные деревья. Часть физических
блоков в произвольной области дискового пространства
отводится под ссылочные структуры для доступа к блокам с
данными.

21. Общая модель файловой системы

22. Общая модель файловой системы

• Символьный уровень, задачей которого является определение по
символьному имени файла его уникального имени.
• Базовый уровень, на котором по уникальному имени файла
определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и
другие.
• Проверка прав доступа. Сравниваются полномочия пользователя
или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов
доступа к данному файлу.
• Логический уровень, на котором определяются координаты
запрашиваемой логической записи в файле, то есть определяется, на
каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая
логическая запись. При этом абстрагируются от физического
расположения файла, а файл представляется в виде непрерывной
последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит
от логической организации файла.
• Физический уровень. Файловая система определяет номер
физического блока, который содержит требуемую логическую запись,
и смещение логической записи в физическом блоке.

23. Общая модель файловой системы

Файловая система компьютерного накопителя – это способ
организации и хранения файлов на винчестерах, флешках или
даже в облаке. И, если диск – это массив кластеров, то файловая
система – это инструкция по заполнению этих кластеров
информацией.

24. Файловая система «FAT»

«FAT» – «таблица размещения файлов». Простая классическая
архитектура файловой системы, изначально предназначенная
для небольших дисков и простых структур папок. Файловая
система «FAT» представляет собой групповой метод
организации, в котором таблица размещения файлов выделена в
отдельную логическую область и находится в начале тома.
Файловая система «FAT32»
Пространство «FAT32» разделено на три сопредельные
области: зарезервированную область для служебных
структур, табличную форму указателей и непосредственную
зону записи содержимого файлов.
Cчитается подходящим для «USB-накопителей» или внешних
носителей информации.

25. Файловая система «exFAT»

Стандарт является обновленной версией файловой
системы «FAT32», созданный корпорацией
«Microsoft».
Значительно снижено число перезаписей секторов,
ответственных за непосредственное хранение
информации, что особенно важно для флэшнакопителей, ввиду необратимого изнашивания
ячеек после определённого количества операций
записи, и улучшен механизм распределения
свободного места.

26. Файловая система «NTFS»

Файловая система «NTFS» хранит информацию о файлах в
главной файловой таблице «Master File Table» («MFT»),
осуществляет разграничение доступа к данным для различных
пользователей, предотвращает несанкционированный доступ к
содержимому файла.
В файловой системе «NTFS» добавлена способность, открывать
файлы, в названиях которых не используются английские буквы,
позволяя использовать любые символы стандарта кодирования
юникода «UTF».

27. Разница между файловыми системами «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT»

«NTFS»:
• поддержка файлов и дисков значительных размеров, на
порядок превышающие остальные файловые системы;
• позволяет использовать расширенные имена файлов, включая
поддержку множества сложных языков.
• повышен уровень безопасности благодаря внедрению метода
шифрования файлов.
• значительно быстрее на дисках объемом менее сорока
гигабайт.
• поддержка сжатия на уровне файловой системы для файлов,
каталогов и дисков для уменьшения дискового пространства.
• пользовательские разрешения для файлов и папок.

28. Разница между файловыми системами «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT»

«FAT»:
• несовместим с последней версией операционной системы
«Windows»;
• поддержка дисков от 32 мегабайт до 2 терабайт;
• поддерживает быструю проверку работоспособности диска;
• простой способ размещения операционной системы и
быстрый алгоритм чтения файлов;
• быстрее функционирует на дисках объемом менее 10 гигабайт;
• цепочки кластеров, содержащие данные из прерванных копий,
помечаются как поврежденные;
• таблица основных файлов отделена от других файлов.

29. Разница между файловыми системами «NTFS», «FAT», «FAT32» и «exFAT»

«FAT 32»:
• отсутствуют функции безопасности, которые реализованы в
более современной файловой системе «NTFS»;
• Не удается установить новейшие версии операционной
системы «Windows» (поскольку файл имеет большой размер и
может быть установлен только на диски, отформатированные в
системе «NTFS»).
«exFAT»
• доступ к дискам с файловой системой «exFAT» в операционной
системе «Linux» можно получить только после установки
соответствующего программного обеспечения.
• работает со всеми версиями операционной системы
«Windows» и современными версиями системы «Mac OS».