Операционные системы, среды и оболочки

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

устройства
Сетевые устройства
Байт-ориентированный интерфейс
Блок-ориентированный интерфейс
Графические драйверы

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.).

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.

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.

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.

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

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.

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).

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:

некоторую логическую структуру (формат хранения данных). Поддержание структуры данных в

файле возлагается либо целиком на приложение, либо часть функций на файловую систему.
Неструктурированная модель файла широко используется в большинстве современных ОС.
Структурированный файл рассматривается ОС, как упорядоченная совокупность логических записей. Развитием данного подхода являются системы управления базами данных (СУБД).