Операционные системы, среды и оболочки Ввод-вывод. Файловая система

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 VFSдиспетчер оконHTTPFTPSMB UFSNTFSFATTCP/UDPSPX дисковый кэшIPIPXNetBEUI драйвер HDдрайвер FD EthernetATM Диспетчер прерываний API ДискиГрафические устройстваСетевые 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 i386system32 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:

Логическая организация файла В общем случае данные, хранящиеся в файле, имеют 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).