Виды программного обеспечения ЭВМ

Лекция №4 Виды программного обеспечения ЭВМ Назначением ЭВМ является выполнение программ. Программа содержит команды, определяющие порядок действий компьютера. Совокупность программ для компьютера образует программное обеспечение (ПО). По функциональному признаку различают следующие виды ПО: • системное; • прикладное. Под системным (базовым) понимается программное обеспечение, включающее в себя операционные системы, сетевое ПО, сервисные программы, а также программы утилиты, обеспечивающие дополнительные сервисные возможности, не входящие в операционную систему. Основные функции операционных систем (ОС) заключаются в управлении ресурсами (физическими и логическими) и процессами вычислительных систем. Физическими ресурсами являются: оперативная память, процессор, монитор, печатающее устройство, магнитные и оптические диски. К логическим ресурсам можно отнести программы, файлы, события и т. д. Под процессом понимается некоторая последовательность действий, предписанная соответствующей программой и используемыми ею данными. В настоящее время существует большое количество ОС, разработанных для ЭВМ различных типов. На ЭВМ Единой Системы (ЕС ЭВМ), например, использовались такие операционные системы, как СВМ и ОС ЕС, на малых ЭВМ (СМ-4, СМ-1420 и др.) - ОС РВ и RSX-11. На персональных ЭВМ долгое время эксплуатировалась ОС-MS-DOS. В настоящее время получили распространение системы Windows 98/Me, Windows 2000, Linix. Сетевое ПО предназначено для управления общими ресурсами в распределенных вычислительных системах: сетевыми накопителями на магнитных дисках, принтерами, сканерами, передаваемыми сообщениями и т. д. К сетевому ПО относят ОС, поддерживающие работу ЭВМ в сетевых конфигурациях (так называемые сетевые ОС), а также отдельные сетевые программы (пакеты), используемые совместно с обычными, не сетевыми ОС. Например, большое распространение получили следующие сетевые ОС: NetWare 4.1 (фирма Novell), Windows NT Server 3.5 (фирма Microsoft) и LAN Server 4.0 Advanced (фирма IBM). Однако в последнее время лидирующие позиции начинает занимать ОС Windows 2000 Server фирмы Microsoft. Для расширения возможностей операционных систем и предоставления набора дополнительных услуг используются сервисные программы. Их можно разделить на следующие группы: • интерфейсные системы; • оболочки операционных систем; • утилиты. Интерфейсные системы являются естественным продолжением операционной системы и модифицируют как пользовательский, так и программный интерфейсы, а также реализуют дополнительные возможности по управлению ресурсами ЭВМ. В связи с тем, что развитая интерфейсная система может изменить весь пользовательский интерфейс, часто их также называют операционными системами. Это относится, например, к Windows 3.11 и Windows 3.11 for WorkGroups (для рабочих групп). Оболочки операционных систем, в отличие от интерфейсных систем, модифицируют только пользовательский интерфейс, предоставляя пользователю качественно новый интерфейс по сравнению с реализуемым операционной системой. Такие системы существенно упрощают выполнение часто запрашиваемых функций, например, таких операций с файлами, как копирование, переименование и уничтожение, а также предлагают пользователю ряд дополнительных услуг. В целом, программы-оболочки заметно повышают уровень пользовательского интерфейса, наиболее полно удовлетворяя потребностям пользователя. На ПЭВМ широко используются такие программы-оболочки, как Norton Commander, FAR Manager и Windows Commander. Утилиты предоставляют пользователям средства обслуживания компьютера и его ПО. Они обеспечивают реализацию следующих действий: • обслуживание магнитных дисков; • обслуживание файлов и каталогов; • предоставление информации о ресурсах компьютера; • шифрование информации; • защита от компьютерных вирусов; • архивация файлов и др. Существуют отдельные утилиты, используемые для решения одного из перечисленных действий, и многофункциональные комплекты утилит. В настоящее время для ПЭВМ среди многофункциональных утилит одним из наиболее совершенных является комплект утилит Norton Utilities. Существуют его версии для использования в среде DOS и Windows. Средства разработки программ используются для разработки нового программного обеспечения как системного, так и прикладного. Прикладным называется ПО, предназначенное для решения определенной целевой задачи из проблемной области. Часто такие программы называют приложениями. Спектр проблемных областей в настоящее время весьма широк и включает в себя, по крайней мере, следующие: промышленное производство, инженерную практику, научные исследования, медицину, управление (менеджмент), делопроизводство, издательскую деятельность, образование и т. д. Из всего разнообразия прикладного ПО выделяют группу наиболее распространенных программ (типовые пакеты и программы), которые можно использовать во многих областях человеческой деятельности. К типовому прикладному ПО относят следующие программы: • текстовые процессоры; • табличные процессоры; • системы иллюстративной и деловой графики (графические процессоры); • системы управления базами данных; • экспертные системы; • программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных. Предлагаемые на рынке ПО приложения, в общем случае, могут быть выполнены как отдельные программы либо как интегрированные системы. Интегрированными системами обычно являются экспертные системы, программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных, а также офисные системы. Примером мощной и широко распространенной интегрированной системы является офисная система Microsoft Office. Поскольку разработка ПО любого назначения, как правило, является довольно сложным и трудоемким процессом, дальнейший материал настоящего раздела посвятим общим вопросам разработки программ и инструментальному ПО. Основные сведения из теории операционных систем Операционная система (ОС) – это совокупность программных средств, осуществляющих управление ресурсами персонального компьютера (ПК), запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с компьютером. ОС классифицируются: • по количеству одновременно работающих пользователей: одно- и многопользовательские; • по числу процессов, одновременно выполняемых под управлением системы: одно- и многозадачные; • по количеству поддерживаемых процессоров: одно- и многопроцессорные; • по разрядности кода ОС: 32- и 64-разрядные; • по типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно-ориентированные (графические); • по типу доступа пользователя к ПК: с пакетной обработкой, с разделением времени, реального времени; • по типу использования ресурсов: локальные и сетевые. Операционная среда – набор функций и сервисов ОС и правила обращения к ним. Это также набор интерфейсов, необходимый программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы. Операционная система в общем случае может содержать несколько операционных сред. Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Она предоставляет системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды. Приложение ОС – прикладная программа, которая не относится к компонентам ОС, но работает под ее управлением. Пользователь взаимодействует с ОС на уровне пользовательского интерфейса (UI – User Interface). Программист взаимодействует с ОС на уровне программного интерфейса (API – Application Program Interface). На рис. 3.1 представлено взаимодействие пользователей, программистов и операционной системы. ОС, как интерфейс между пользователем и аппаратными средствами компьютера, на прикладном уровне, предоставляет возможности исполнения программ, доступ к периферийным устройствам ввода-вывода и файловой системе. На программном уровне пользователи ОС могут разрабатывать свои прикладные и системные приложения, пользуясь интерфейсами программирования, например, в ОС Windows XP базовым является программный интерфейс Win32 API. Существуют также интерфейсы MAPI, TAPI и др. Программный интерфейс ОС представляет собой документированные разработчиком, вызываемые на языках программирования высокого уровня подпрограммы. В современных ОС наборы вызываемых подпрограмм API сходного назначения объединяются в один двоичный файл, который приложение может использовать, динамически загружая в процессе своей работы – динамически подключаемую библиотеку (DLL). ОС, играя роль посредника, служит двум целям: • эффективно использовать ресурсы вычислительной системы; • создавать условия для эффективной работы пользователя. Основные функции ОС: • распределение ресурсов; • управление заданиями, задачами, данными, памятью, процессорами, устройствами ввода-вывода; • организация режимов работы (пакетного, однопрограммного, мультипрограммного, реального); • выполнение программ; • разработка программ; • отладка программ. Компонентный состав ОС определяется набором функций, для выполнения которых она предназначена. Все программы, входящие в её состав, можно разбить на две группы: управляющие программы и системные обрабатывающие программы (рис. 3.2). Управляющая программа (микроядро ОС) – обязательный компонент, выполняющий следующие функции: • планирование прохождения непрерывного потока заданий; • управление распределением ресурсов; • реализация принятых методов организации данных; • управление операциями ввода-вывода; • организация мультипрограммной работы; • управление работоспособностью системы после сбоев. При управлении статическими ресурсами (заданиями) микроядро ОС осуществляет предварительное планирование потока заданий для выполнения и статическое распределение ресурсов между одновременно выполняемыми заданиями в процессе подготовки к выполнению (инициализации). К таким ресурсам относятся разделы памяти (оперативной, дисковой, внешней) и устройства, допускающие только монопольное использование. Такие ресурсы закрепляются за заданием или его частью с момента его инициализации до момента завершения. Обычно такое управление носит название мониторинга, а программы, его осуществляющие – мониторы. Управление динамическими ресурсами (задачами) осуществляет динамическое распределение ресурсов между несколькими задачами, решаемыми одновременно в мультипрограммном режиме для выполняемого потока заданий. Динамическое управление выполняет программа супервизор (планировщик). Управление данными обеспечивает все операции ввода-вывода (обмена между оперативной памятью и периферийными устройствами) на физическом и логическом уровнях. К таким функциям относят, например, организацию необходимых различных информационных структур, таблиц во время работы ОС, управление файловой системой, каталогами, режимом прямого доступа к памяти, обработку ошибок ввода-вывода и т.д. Управление восстановлением регистрирует машинные сбои и отказы и восстанавливает работоспособность системы после их возникновения, если это возможно. В качестве основных аппаратных ресурсов компьютера, подлежащих распределению, обычно рассматривают: • время работы процессора; • адресное пространство основной памяти; • оборудование ввода – вывода; • файлы, хранящиеся во внешней памяти. Основными подсистемами, обеспечивающими распределение указанных ресурсов ОС, являются: 1. подсистема управления процессами (распределяет ресурс «процессорное время»); 2. подсистема управления памятью (распределяет ресурс «адресное пространство основной памяти»); 3. подсистема управления устройствами (распределяет ресурсы «оборудование ввода - вывода»; 4. подсистема управления данными (распределяет ресурс «данные или файлы»). Функционирование ОС было бы бесполезным, если не было бы возможности выполнять пользовательские программы, представляющие собой статические наборы команд центрального процессора – процессы. Дать исчерпывающее определение процесса труднее, чем выделить его характеристики: ▪ адресное пространство памяти, которое доступно процессу; ▪ код программы и данные, помещаемые в адресное пространство для исполнения и обработки; ▪ идентификатор процесса и его контекст, то есть информация о состоянии аппаратных средств, выделенных процессу, и стадии его выполнения; ▪ список ресурсов компьютера, которые требуются процессу; ▪ средства защиты памяти процесса от постороннего вмешательства в код и данные процесса; ▪ минимум один поток, то есть программу, выполняемую процессором. Одно из основных условий функционирования ОС – стабильность и устойчивость – приводят к четкому разделению процессов на две группы: системные и прикладные. Первая группа, системные процессы, выполняются в режиме ядра ОС. К ней относится сам код ОС и программы, взаимодействующие с устройствами компьютера на уровне машинных команд – драйверы устройств. Этим процессам разрешается доступ ко всей физической системной памяти ПК (адресному пространству памяти ОС), и выполнение любых машинных команд микропроцессора, в том числе привилегированных. Пользовательские процессы работают только в своем адресном пространстве, не имея возможности повлиять на ход функционирования системных процессов, и даже могут быть принудительно завершены последними. С точки зрения программирования, пользовательским процессам доступны библиотеки подпрограмм и функции API, которые при необходимости переходят на уровень системных процессов. При исполнении программ на процессоре различаются следующие характерные отдельные состояния: • порождение – подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре; • активное состояние – программа исполняется на процессоре; • ожидание – программа не исполняется на процессоре по причине занятости какого-либо требуемого ресурса; • готовность – программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме процессора; • окончание – нормальное или аварийное окончание исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются. Процесс находится в каждом из своих допустимых состояний в течение некоторого времени, после чего переходит в какое-либо другое допустимое состояние. Состав допустимых состояний обычно задается в виде графа (рис. 3.3). Процессы определяются рядом временных характеристик. В некоторый момент времени процесс может быть порожден, а через некоторое время закончен. Интервал между этими моментами называется интервалом существования процесса. Процессы можно разделить на следующие классы: 1) обычные (пакетные) – длительность интервала существования не определенная; 2) интерактивные – интервал существования не более времени реакции компьютера на запросы пользователя; 3) реального времени – интервал существования процесса менее некоторого определенного момента времени (гарантированного интервала). Один процесс может порождать следующий, при этом порождающий процесс будет «предком», а порожденный – «потомком». Порядок длительности и пребывания процесса в допустимых состояниях на интервале существования называется трассой процесса. По способу достижения конечного результата обработки информации процессы делятся на: 1) эквивалентные – при одинаковых исходных данных, различных программах обработки информации и трассах процессов достигается одинаковый конечных результат; 2) тождественные – при одинаковых входных данных, одинаковых программах обработки информации и трассах процессов достигается одинаковый результат; 3) равные – трассы процессов и все остальное совпадают. Во всех остальных случаях процессы различны. По времени существования друг относительно друга процессы делятся на: 1) последовательные – интервалы существования процессов не пересекаются во времени; 2) параллельные – на рассматриваемом интервале времени процессы существуют одновременно; 3) комбинированные – на рассматриваемом интервале времени есть точка, в которой существует один процесс и не существует другой, и точка, в которой два процесса существуют одновременно. По принадлежности к ОС процессы могут быть: 1) системные; 2) пользовательские. По связности: 1) изолированные – нет связей друг с другом; 2) информационно-независимые – процессы совместно используют некоторые ресурсы, но не обмениваются информацией; 3) взаимодействующие – процессы взаимосвязаны обменом информацией; 4) конкурирующие – процессы взаимосвязаны по ресурсам. Порядок выполнения процессов определяет ряд отношений между ними, которые в совокупности называются синхронизирующими правилами. Отношение предшествования. Означает, что первый процесс должен переходить в активное состояние всегда раньше второго. Отношение приоритетности. Процесс с некоторым приоритетом Р может быть переведен в активное состояние только при соблюдении двух условий: в состоянии готовности этого процесса не существует процессов с большим приоритетом, и процессор либо свободен, либо используется процессом с меньшим, чем Р, приоритетом. Отношение взаимного исключения. Если несколько процессов используют один общий ресурс, то совокупность действий над этим ресурсом в составе одного процесса называют критической секцией. Другими словами, критическая секция одного процесса не должна выполняться одновременно с критической секцией другого процесса над одним и тем же ресурсом. С процессом связано понятие ресурса. Термин ресурс относится к используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам аппаратной части компьютера, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Некоторые ресурсы могут быть разделяемыми, например, оперативная память, диски, процессор и использоваться либо одновременно (в один и тот же момент времени), либо псевдопараллельно (в течение некоторого отрезка времени процессы используют ресурс попеременно). В общем случае ресурс – это запас неких материальных предметов в составе некоторого объекта. Ресурс вычислительной системы – это средство компьютера, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени. Ресурсы можно классифицировать по следующим признакам. По реальности существования: 1) физические; 2) виртуальные. Главным виртуальным ресурсом можно считать память компьютерной системы, причем следует учесть, что объем физической оперативной памяти гораздо меньше, чем виртуальной оперативной памяти. Виртуальная оперативная память организуется за счет дисковой памяти в результате выгрузок (swapping) программ из первой и замещения программами из второй. По характеру использования: 1) параллельно-используемый; 2) последовательно-используемый. По возможности расширения свойств: 1) жесткий; 2) расширяемый. По активности: 1) активный; 2) пассивный. По времени существования: 1) постоянный; 2) временный. По степени важности: 1) главный; 2) второстепенный. По функциональной избыточности: 1) дорогой; 2) дешевый. По структуре: 1) простой; 2) составной. По восстанавливаемости: 1) воспроизводимый; 2) потребляемый. Физический ресурс реально обладает всеми физическими характеристиками. Виртуальный ресурс – некоторая модель конкретного физического ресурса. Он реализуется в какой-либо программно-аппаратной форме, но при работе виртуальный ресурс предоставляет пользователю не только часть свойств, которые присущи физическому ресурсу, но и часть свойств, которые ему не присущи. Например, виртуальная оперативная память компьютера. Объем виртуальной оперативной памяти может значительно превосходить реальный физический объем памяти компьютера путем имитации её за счет механизма подкачки страниц памяти. Жесткие ресурсы не допускают виртуализации, иначе ресурс – расширяемый. Активные ресурсы способны выполнять действия по отношению к другим ресурсам или процессам, которые приводят к изменению последних. Если ресурс существует до момента порождения процесса, то он рассматривается как постоянный. Временный ресурс может появляться и уничтожаться динамически в течение времени существования рассматриваемого процесса. Процесс выполняет в отношении ресурсов три типа действий: 1) запрос – в ответ на него ОС выделяет процессу некоторый ресурс, либо отказывает в его выделении; 2) использование – процесс использует некоторый ресурс в соответствии со своей программой; 3) освобождение – выполняется по требованию процесса и переводит ресурс в состояние «свободен». Если ресурс допускает многократное выполнение действий ЗАПРОС-ИСПОЛЬЗОВАНИЕ-ОСВОБОЖДЕНИЕ, то он называется воспроизводимым, иначе – потребляемым. Примером потребляемого ресурса может служить буфер ввода-вывода, при записи в который предыдущая информация теряется, что эквивалентно повторному выделению этого ресурса. В целях повышения эффективности обработки данных, ОС обладают свойством многозадачности. Многозадачность позволяет выполнять несколько программ одновременно (но не параллельно, так как большинство персональных компьютеров однопроцессорные) в режиме разделения времени. Это приводит к появлению в составе ОС подсистем, отвечающих за временное планирование и управление памятью, выделяемой исполняемым программам с условиями защиты её от вмешательства со стороны других программ. Многозадачный режим работы вычислительной системы заключается в том, что пока одна программа (процесс, задача) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (задача) может быть поставлена на выполнение. При многозадачности повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем, если бы он выполнялся в однопрограммном режиме. Операционная система старается эффективно использовать ресурсы путем организации очередей запросов. При необходимости использовать какой-либо ресурс процесс обращается к супервизору. ОС сообщает ему свои требования (вид ресурса, объем и т.д.). Эта директива переводит процессор в привилегированный режим, если он есть. Супервизор – часть операционной системы, отвечающая за перераспределение ресурсов между процессами. Обычно супервизор работает по следующим правилам. Получив управление, супервизор действует в соответствии с запрограммированной стратегией выполнения процессов. В зависимости от приоритета процесса, супервизор может выделять ему необходимые для успешного выполнения ресурсы. Ресурс будет выделен обратившемуся за ним процессу, если: а) он свободен, и нет задач с более высоким приоритетом, обратившимся за этим ресурсом; б) текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов; в) ресурс используется задачей с более низким приоритетом и может быть временно отобран. Если ресурс занят, супервизор ставит процесс в очередь к ресурсу, переводя его в состояние ожидания. Очередь к ресурсу может быть организована различными способами, но обычно с помощью списковой структуры. Если требуемые ресурсы готовы для использования процессом, то супервизор передает ему управление, и процесс начинает выполняться. После завершения работы с ресурсом процесс с помощью системного вызова супервизора сообщает об отказе от ресурса и освобождает его для других процессов. За время функционирования ОС один и тот же процесс может выполняться многократно. Это обусловлено обращениями к операционной системе с запросами ресурсов, выполнением системных функций, взаимодействием с другими процессами, появлением сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода/вывода и других устройств. Основных состояний процесса два: активное, когда процесс участвует в конкуренции с другими процессами за ресурсы компьютера, и пассивное, когда процесс известен ОС, но в отношении ресурсов не проявляет никаких действий. Активный процесс может находиться в одной из следующих стадий обработки данных: • выполнения, когда все затребованные ресурсы выделены, ведется обработка данных процесса центральным процессором (в одно процессорных системах в этой стадии может находиться только один процесс); • готовности к выполнению, когда готовы к обработке данных процесса все ресурсы, кроме процессора; • блокирования или ожидания, когда затребованные ресурсы не могут быть предоставлены процессу или не завершена операция ввода/вывода; • завершения, когда обработка данных процесса полностью завершена. Существует комплекс правил перехода между стадиями выполнения процессов, связанных либо с системными событиями, либо с действиями пользователя. Процесс из стадии блокирования в стадию готовности может перейти в следующих случаях: • по команде оператора (пользователя); • при выборе из очереди супервизором; • по вызову из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создавать, инициировать, приостановить, остановить или уничтожить другой процесс); • по прерыванию от внешнего «инициативного» устройства; • при наступлении запланированного времени запуска программы. Из стадии выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин: • процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление ОС и сообщает о своем завершении. Супервизор уничтожает процесс или переводит его в список бездействующих процессов. В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно по команде оператора или путем обращения к супервизору другой задачи, требующей остановить данный процесс; • процесс переводится супервизором ОС в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени; • процесс блокируется из-за невозможности предоставить ему ресурс или вследствие запроса ввода/вывода, а также по команде оператора на приостановку задачи. Процесс деблокируется и переводится в стадию готовности к выполнению при наступлении соответствующего события: • завершение операции ввода/вывода; • освобождение затребованного ресурса; • загрузка в оперативную память страницы виртуальной памяти и т.д. Предпосылками изменения состояния процесса являются события. Один из основных видов событий – прерывания. Операционная система MS-DOS Операционная система MS-DOS – это однопользовательская, однозадачная, не сетевая 16-разрядная операционная система (ОС), ориентированная на использование на ПЭВМ с микропроцессором Intel 8088(80286). Краткая история появления данной операционной системы такова. В октябре 1980 г. менеджеры фирмы IBM занялись поисками ОС для своего 16-разрядного персонального компьютера (ПК), находящегося в стадии разработки. В тот период на ПЭВМ наиболее широко применялась ОС CP/M (Control Program for MicroComputers) фирмы Digital Research. Не достигнув приемлемых соглашений с Digital Research, фирма IBM обратилась к фирме Microsoft (президент – Билл Гейтс). В тот момент у Microsoft не было соответствующей OС, но ей была известна небольшая фирма Seattle Computer Products, которая имела такую OС. За 50 000$ Билл Гейтс приобрел права на эту OС. В дальнейшем эта OС послужила основой для MS-DOS. В ноябре 1980 г. Microsoft и IBM подписали договор на разработку OС для IBM PC. В феврале 1981 г. появилась первая версия PC/MS-DOS, которая работала на IBM PC, в августе того же года – PC DOS 1.0 (эта версия была утверждена для применения на IBM PC). Операционная система MS-DOS позволяет полностью использовать возможности процессоров Intel 8088 и Intel 80286, работающих в реальном режиме. Основными характеристиками данной ОС являются: – максимальный объем адресуемой физической памяти – 640 Кбайт; – максимальный объем памяти, доступный из прикладных программ 640 Кбайт. Последние версии MS-DOS (начиная с 5.0) могут использовать адресное пространство между 640 Кбайт и 1 Мбайт для размещения своих составных частей и некоторых драйверов, освобождая тем самым память в адресном пространстве 0-640 Кбайт для использования прикладными программами; – представление всех ресурсов персонального компьютера для одной, активной в настоящий момент, программы; – развитая файловая система и процессор командного языка; – слабая поддержка интерактивных средств взаимодействия с пользователем; – занимаемый объем на диске, в зависимости от версии, от 1 Мбайта до 6 Мбайт. (минимум, при котором можно работать – 100 Кбайт). Основные составные части MS-DOS MS-DOS состоит из следующих компонент: – блок начальной загрузки (размещается в 1-м секторе 0-дорожки 0-стороны системной дискеты); – модуль расширения BIOS (IO.SYS для версии 5.0 и выше); – модуль обработки прерываний (MSDOS.SYS для версии 5.0 и выше), – командный процессор (COMMAND.COM); – внешние команды (программы) MS-DOS; – драйверы устройств; – файл Config.SYS; – файл Autoexec.bat. Ядро MS-DOS включает блок начальной загрузки и файлы IO.SYS, MSDOS.SYS. Файловая система MS-DOS Файл (по-английски file – папка, скоросшиватель) – это поименованная область памяти на каком-либо физическом носителе, предназначенная для хранения информации. Совокупность средств MS-DOS, обеспечивающих доступ к информации на внешних носителях, называется системой управления файлами, или файловой системой. Одно из понятий файловой системы MS-DOS – логический диск. В некотором приближении можно считать, что с точки зрения MS-DOS каждый логический диск – это отдельный магнитный диск. Каждый логический диск имеет свое уникальное имя. В качестве имени логического диска используются буквы английского алфавита от A до Z (включительно). Таким образом, количество логических дисков, может быть не более 26. Буквы A и B – отведены строго под имеющиеся в IBM PC дисководы. Начиная с буквы C именуются логические диски (разделы) жесткого диска (рис. 1.3). В случае, если данный IBM PC имеет только один FDD, буква B пропускается (см. рис. 1.4). Как правило, только логические диски A и C могут быть системными. Рис. 1.3. Разделение на логические диски в системе с двумя дисководами. Рис. 1.4. Разделение на логические диски в системе с одним дисководом. Файловая структура логического диска Чтобы обратиться к информации на диске, находящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора (№ поверхности + № дорожки + № сектора), общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера и т.д. Все это очень туманно, трудно и не нужно. MS-DOS избавляет пользователя от такой работы и ведет ее сама. Для обеспечения доступа к файлам файловая система MS-DOS организует и поддерживает на логическом диске определенную файловую структуру (рис. 1.5). Элементы файловой структуры: – стартовый сектор (сектор начальной загрузки, Boot-сектор); – таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table); – корневой каталог (Root Directory); – область данных (оставшееся свободным дисковое пространство). Эти элементы создаются специальными программами в среде MS-DOS в процессе инициализации диска. Стартовый сектор (сектор начальной загрузки, Boot-сектор) Здесь записана информация, необходимая MS-DOS для работы с диском: – идентификатор ОС (если диск системный); – размер сектора диска; – количество секторов в кластере; – количество резервных секторов в начале диска; – количество копий FAT на диске (стандарт – две); – количество элементов в каталоге; – количество секторов на диске; – тип формата диска; – количество секторов в FAT; – количество секторов на дорожку; – количество поверхностей; – блок начальной загрузки ОС. Рис. 1.5. Файловая структура на дискете емкостью 360 кбайт За стартовым сектором располагается FAT. FAT (таблица размещения файлов) Область данных диска представлена в MS-DOS как последовательность пронумерованных кластеров. FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных. FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения. Корневой Каталог. Это определенная область диска, создаваемая в процессе инициализации (форматировании) диска, где содержится информация о файлах и каталогах, хранящихся на диске. Корневой каталог всегда существует на отформатированном диске. На одном диске бывает только один корневой каталог. Размер корневого каталога для данного диска – величина фиксированная, поэтому максимальное количество "привязанных" к нему файлов и других (дочерних) каталогов (подкаталогов) – строго определенное. Каталоги (подкаталоги). Каталог – это определенное место на диске (в области данных диска), где содержится информация о файлах и подкаталогах, привязанных к данному каталогу. MS-DOS поддерживает иерархическую структуру каталогов (древообразную, см. рис. 1.6). Рис. 1.6. Иерархическая структура каталогов В отличие от корневого каталога, остальные каталоги (подкаталоги) создаются с помощью команд MS-DOS. Основная цель такой структуры каталогов – организация эффективного хранения большого количества файлов на диске. Каждый каталог, кроме корневого, имеет "родителя", т.е. другой каталог, в котором зарегистрирован данный каталог. MS-DOS рассматривает каждый каталог, кроме корневого, как файл. Файлы. Файл – это поименованная область памяти на каком-либо физическом носителе, предназначенная для хранения информации. Файл всегда зарегистрирован в каком-либо каталоге, в том числе, может быть "привязан" и к корневому каталогу (см. рис. 1.7). Рис. 1.7. Иерархическая структура каталогов с файлами Идентификация логических дисков, каталогов и файлов. Идентификация логических дисков, каталогов, файлов осуществляется на базе имен. Файловая система MS-DOS не допускает, чтобы логические диски, каталоги, файлы были с одинаковыми ИДЕНТИФИКАТОРАМИ! В качестве имени логического диска используется одна из букв латинского алфавита (A ... Z). Каждый файл или каталог, кроме корневого, имеет полное имя. Полное имя файла состоит из следующих частей (рис. 1.8): – имя логического диска (A … Z); – символ-разделитель (двоеточие) ':'; – символ, идентифицирующий корневой каталог – '\' (слэш); – перечень каталогов и подкаталогов (разделенных символом '\'); – собственно имя файла. Рис. 1.8. Полное имя файла Собственно имя файла состоит из имени, символа-разделителя '.' (точка) и расширения имени файла. Маршрут доступа к файлу = "Имя логического диска" + "двоеточие" + "идентификация корневого каталога" + "весь перечень имен родительских каталогов". Максимальное количество символов в полном имени файла равно 128. Максимальное количество символов в имени файла равно 8. Максимальное количество символов в расширении имени файла равно 3. Расширение не обязательно, т.е. может и не присутствовать (в этом случае точка тоже отсутствует). Таким образом, размер собственно имени файла не превышает 13 символов (с учетом точки). В полном имени файла разрешается использовать только следующие символы: A…Z, a … z, 0 … 9, $, &, #, `, ~, (, ), -, %, !, _, ^. В полном имени файла запрещается использовать все остальные символы. Примеры допустимых имен файлов: format.COM read.me myfile.txt 28-03-96.doc 123.45 Примеры не допустимых имен файлов: 123456789.txt aa?.doc 35*.? i\t.f.doc *.txt my:file.txt Использование расширений. Файлы, в зависимости от информации, которая там хранится, могут иметь различное назначение: данные, программы, драйверы, настроечные файлы и т.д. Расширения имени файла – не обязательный, но очень важный компонент. Он используется для разделения файлов по отдельным категориям (данные, программы, драйверы и т.д.). В MS-DOS есть перечень предопределенных и наиболее часто встречающихся расширений файлов. В табл. 1 приведены некоторые из них. Таблица 1 Расширение Назначение файла EXE, COM Выполняемые файлы в MS-DOS – это программы, созданные с помощью специальных инструментальных систем программирования, базирующиеся на применении языков программирования BAT Файл последовательности команд MS-DOS (пакетный) SYS Системный файл или файл драйвера устройств OVR OVL Оверлейные файлы BAK Резервная (предыдущая) копия файла TXT Текстовый ASCII-файл DOC Файл-документ MS Word PAS Текст программы на языке программирования Pascal C, CPP Тексты программ на языках программирования С, С++ ASM Текст программы на языке Ассемблер. BMP Файл изображения в формате Windows BitMaP GIF Файл точечного изображения (Graphic Interchange Format) PCX Файл изображения в формате Paintbrush TIF Файл изображения (Tagged Image File Format) INI, CFG Файлы настроек и конфигураций TMP Временный файл Устройства MS-DOS. В MS-DOS имеется ряд имен файлов, которые зарезервированы для внутреннего использования. Каждое такое имя отражает какое-либо устройство. Запрещается использование этих имен не по назначению. В табл. 2 приведен перечень этих имен. Таблица 2 Имя Назначение AUX Асинхронный интерфейс (Auxiliary – вспомогательный выход) CLOCK$ Драйвер часов CON Консоль (клавиатура, дисплей) COM1 Первый порт последовательного ввода/вывода (от COMmunication) COM2 Второй порт последовательного ввода/вывода COM3 Третий порт последовательного ввода/вывода COM4 Четвертый порт последовательного ввода/вывода LPT1 Первый порт параллельного ввода/вывода (от Line PrinTer 1) LPT2 Второй порт параллельного ввода/вывода LPT3 Третий порт параллельного ввода/вывода NUL Отсутствующий выход ("нулевое устройство") PRN Принтер (от PRiNter – аналог LPT1) С точки зрения пользователя эти устройства ничем не отличаются от обычных файлов (с ними можно производить все те же операции, что и с обычными файлами). Однако не рекомендуется использовать имена файлов, построенные на базе вышеприведенных зарезервированных имен, такие, как: NUL.BAT, COM2.COO, PRN. TXT и т.п. Использование их в качестве расширений имен файлов допустимо: TEXT.PRN, FILE1.CON, FILE.NUL и т.п. Символы подстановки в именах файлов. Когда необходимо произвести какие-либо действия над файлами пользователь вызывает определенные внутренние или внешние команды MS-DOS и передает им в качестве параметров имена файлов. Очень часто приходится производить одни и те же действия над многими файлами. Например, необходимо скопировать все файлы какого-либо каталога в другой каталог. Если файлов больше 200, то ровно 200 раз необходимо произвести эту операцию для каждого файла в отдельности. Это, как минимум, неудобно и непроизводительно для пользователя. Для решения такого рода проблем существуют специальные средства, которые помогают производить однотипные операции над целой группой файлов одной командой. Так называемые символы подстановки, называемые также масками (по-английски они называются wildcards), позволяют фильтровать файлы, выполняя функцию обозначения места в имени файла. Такими масками являются знак вопроса(?) и звездочка (*). Эти символы можно использовать в любом месте собственно имени файла и расширения. Символ ? означает, что команда при фильтрации файлов признает любой символ в имени или расширении файла, в позиции которого находится символ ?. Символ * означает, что команда при фильтрации файлов признает все символы, в имени или расширении файла, начиная с позиции, где находится символ *. Символы ? и * действуют не зависимо друг от друга применительно к имени или расширению. Примеры: Выполнить операцию над следующими группами файлов: *.* – все файлы, без исключения; *.txt – файлы с любыми именами, но с расширением txt; II*.* – файлы, имена которых начинаются с цепочки символов II и имеющие любое расширение; YE??0198.* – файлы, имена которых начинаются с цепочки символов YE, два следующих символа могут быть любыми, следующие четыре символа должны быть 0198, расширение любое. Атрибуты файлов. Каждый файл и каталог имеет атрибут, который указывает на то, что этот файл является именно файлом, или на то, что он является каталогом. Файлы, в зависимости от атрибута, могут быть скрытыми, архивными, системными, только для чтения