После запуска процесса ему выделяется адресное пространство. В памяти могут располагаться несколько процессов, причем один процесс не имеет доступ к адресному пространству другого процесса. Если объема ОЗУ не хватает для выполнения всех процессов, то выделяется виртуальная память на жестком диске, где хранится часть данных процесса. Жесткий диск, на котором располагается виртуальная память, гораздо медленнее, чем ОЗУ, поэтому в виртуальной памяти хранятся процессы, остановленные в данный момент или с самым низким приоритетом.

В рамках одного процесса могут создаваться потоки. Потоки сообща используют ресурсы, выделяемые для процесса, прежде всего, объем ОЗУ. По существу, потоки выполняются в рамках одного процесса точно так же, как процессы выполняются на одном компьютере. Но в каждый отдельный момент выполняется один процесс и один поток, только переключение между ними осуществляется очень быстро.

Основной причиной появления потоков является возможность разделения функций процесса между потоками и выполнение их параллельно. Например, некоторому процессу необходимо выполнить печать документа, однако принтер занят печатью документа другого процесса. Если процесс однопоточный, то процесс остановится и будет ждать разрешения на печать. В случае многопоточного процесса во время простоя другой поток процесса может выполнять свои функции, например, сохранить файл документа на жестком диске.

Кроме этого, создание и удаление потоков осуществляется намного быстрее, чем создание и удаление процессов, что ускоряет работу процесса в целом.

3.3.2.Поддержание файловой системы

На одном физическом жестком диске может размещаться один или несколько логических дисков. Физический диск – это отдельное устройство. ОС разбивает физический диск на несколько разделов, в каждом из которых создается свой логический диск.

Каждый логический диск состоит из двух областей:

1) загрузочной области, содержащей программный код для загрузки ОС;

2) области данных, которая содержит файлы и каталоги ОС и пользователя.

Нумерация дисков осуществляется следующим образом:

A, B – дисководы для дискет;

C, D, … – логические диски на жестких дисках, дисководах CD, DVD или Blu-Ray и других ВЗУ.

Всем компьютерным приложениям необходимо хранить и получать данные. Наиболее удобной для доступа к ВЗУ оказалась система, при которой пользователь или процесс назначает для той или иной совокупности данных некоторое имя. Файл – это поименованная конечная последовательность данных на диске. Часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на дисках и доступ к ним, называется файловой системой.

Минимальная единица хранения на жестком диске или дискете ОС – кластер. Файл занимает на диске один или несколько кластеров. Месторасположение файла характеризуется двумя адресами:

1) пользовательским: имя файла – это адрес, по которому пользователь может получить доступ к совокупности данных этого файла;

2) аппаратным: номера дорожки, сектора и т. п. определяет физическое месторасположение файла на ВЗУ.

Преобразование пользовательского адреса в аппаратный и обратно осуществляется с помощью файловой системы ОС. Таким образом, файловая система ОС является промежуточным звеном между пользователем и ВЗУ.

Возможны следующие действия с файлами:

- создание: за файлом закрепляется название и выделяется место на диске;

- открытие: поиск файла на диске и выделение памяти в ОЗУ для обмена данными с файлом;

- закрытие: сохранение текущего состояния файла после действий с ним;

- изменение: модификация содержимого файла;

- копирование и перемещение файла;

- переименование: закрепление за файлом нового имени;

- удаление: освобождение места на диске, занимаемого файлом.

На любом диске обязательно присутствует корневой каталог. Корневой каталог представляет собой совокупность записей о файлах и других каталогах, которые он содержит. Каждая запись содержит следующие параметры:

- имя файла;

- расширение файла;

- объем файла в байтах;

- дата и время создания файла;

- дата и время последнего открытия (доступа) файла;

- атрибуты файла: только для чтения; скрытый файл; системный файл; архивированный файл.

Корневой каталог имеет фиксированное место на диске и размер. Все остальные каталоги имеют такую же структуру, но могут храниться в любом месте области данных диска, как и файлы. Каталоги необходимы для упорядоченного хранения файлов. В ОС Windows каталоги называются папками.

В ОС Windows имя файла не может превышать 255 символов и может содержать латинские и русские буквы, знаки пунктуации. В одном каталоге не может находиться двух файлов с одинаковыми именами.

Расширения файлов используются ОС, чтобы определить какую программу необходимо запустить для обработки файла с данным расширением. Расширение определяет тип файла, но не тип – расширение. Основные расширения файлов приведены в таблице.

От файловой системы требуется выполнение следующих действий:

- определение по имени файла физического расположения его частей;

- определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов.

Скорость выполнения этих операций напрямую зависит от самой файловой системы. Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач и имеют свои преимущества и недостатки. Файловая система FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов), использующихся в ОС MS-DOS и Windows, представляют собой образ носителя в миниатюре, где детализация ведется до кластерного уровня. Поэтому операция поиска физических координат файла при его большой фрагментации будет затруднительна. Еще хуже обстоит дело с поиском свободного места для больших файлов. Приходится просматривать практически всю таблицу, поэтому быстродействие падает. Современная файловая система NTFS (New Technology File System – файловая система нового типа) в ОС Windows XP / Vista / 7 использует более компактную форму записи, что ускоряет поиск файла. Поэтому операции с выделением места под файл проходят быстрее. Ключевое преимущество файловой системы NTFS – возможность ограничения доступа к файлам и каталогам.

3.3.3.Обеспечение интерфейса пользователя

По реализации интерфейса пользователя различают интерфейс командной строки и графический интерфейс.

Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно редактировать. Исполнение команды начинается после ее подтверждения нажатием клавиши ENTER. Интерфейс командной строки реализован в семействе ОС MS-DOS компании Microsoft.

Графические интерфейс пользователя реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве устройства управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или другое устройство позиционирования. Работа с графическим интерфейсом пользователя основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

В качестве примера активного элемента управления выступает указатель (курсор) мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши.

В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений: экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие.

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

Примером ОС с графическим интерфейсом пользователя являются ОС семейства Windows компании Microsoft и семейства MacOS компании Apple.

Рассмотрим реализацию графического интерфейса пользователя на примере ОС Windows XP.

ОС обеспечивает единообразный интерфейс для всех своих компонентов (составных частей): окон, меню, панелей инструментов и т. п., через которые пользователь управляет системой.

Основным элементом, с которым работает ОС Windows, является объект. Объекты можно классифицировать следующим образом:

- приложения – программы, файлы с расширением EXE;

- документы – файлы с текстовыми, звуковыми и графическими данными;

- папки – каталоги на носителях данных или контейнеры, которые могут содержать другие объекты;

- ярлыки – ссылки на объекты ОС Windows для быстрого доступа к ним;

- специальные объекты – Главное меню, Рабочий стол, Панель управления и др.

В ОС Windows существует иерархия папок.

На ЭВМ, работающей под управлением ОС Windows, может работать несколько пользователей, для которых создается индивидуальные элементы иерархии.

Рабочий стол появляется после запуска ОС Windows и содержит все элементы интерфейса пользователя:

- Главное меню (меню Пуск), содержащее списки установленных программ пользователя; документов, открытых пользователем; пункты настройки программного и аппаратного обеспечения, поиска файлов и папок;

- Панель задач, которая отображает кнопку для каждого приложения, запущенного пользователем;

- окна приложений.

Иерархия папок ОС Windows

Папка Мои документы предназначена для хранения личных документов пользователя. ОС Windows создает индивидуальные папки для каждого пользователя.

Через папку Мой Компьютер осуществляется доступ к логическим дискам ЭВМ.

Панель управления позволяет совершать следующие действия по управлению и настройке ЭВМ:

- установить новое программное и аппаратное обеспечение;

- настроить элементы интерфейса пользователя;

- выбрать язык;

- установить дату, время, часовой пояс.

Сетевое окружение настраивает работу компьютера в локальной или глобальной сети, что включает следующие функции:

- создание новых сетевых подключений;

- поиск ЭВМ в сети;

- навигация по доступным ресурсам сетевых ЭВМ.

В Корзину помещаются файлы и папки после удаления. Файлы и папки удаляются из Корзины в двух случаях:

1) по команде пользователя;

2) по команде ОС Windows, чтобы освободить место для новых файлов.

Навигация по иерархии папок осуществляется с помощью стандартного приложения ОС Windows – Проводника.

3.4.Драйверы устройств

Чтобы управлять устройствами, используются драйверы устройств – специальные программы, которые выполняют две основные задачи:

1) перевод команд ОС в команды контроллера и обратно;

2) обмен данными между ОС и устройством через его контроллер.

Каждый контроллер устройства имеет определенное количество регистров, предназначенных для обмена данными между ОС и устройством. Обычно ОС передает через регистры в контроллер команды управления и данные, передаваемые в устройство, а контроллер передает ОС данные о состоянии устройства и данные, полученные от устройства. Система команд и количество регистров для разных контроллеров различаются. Например, контроллер манипулятора «мышь» обрабатывает такие параметры, как положение указателя мыши на экране и состояние кнопок: нажата или не нажата. КПВВ должен отслеживать состояние передачи данных через порт: данные переданы или нет.

Драйверы разрабатываются производителем устройств и поставляются вместе с ними или доступны на веб-сайте производителя. Периодически производители обновляют драйверы, повышая эффективность работы устройств.

Глава 4.Лекция 4

4.1.Понятие алгоритма

В основу работы ЭВМ положен программный принцип управления, состоящий в том, что ЭВМ выполняет действия по заранее заданной программе. Программа – это упорядоченная последовательность команд, которые понимает ЭВМ.

В основе любой программы лежит алгоритм. Алгоритм – это полное и точное описание на некотором языке конечной последовательности правил, указывающих исполнителю действия, которые он должен выполнить, чтобы за конечное время перейти от (варьируемых) исходных данных к искомому результату.

Термин «алгоритм» произошел от имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми (787 – ок. 850), которым были описаны общие правила (названные позднее алгоритмами) выполнения основных арифметических действий в десятичной системе счисления. Эти алгоритмы изучаются в начальных разделах школьной математики. К числу алгоритмов школьного курса математики относятся также правила решения определенных видов уравнений или неравенств, правила построения различных геометрических фигур и т. п. Понятие алгоритма используется не только в математике, но и во многих областях человеческой деятельности, например, говорят об алгоритме управления производственным процессом, алгоритме управления полетом ракеты, алгоритме пользования бытовым прибором. Причем интуитивно под алгоритмом понимают некоторую систему правил, обладающих определенными свойствами.

Далее, изучая понятие алгоритма, мы будем предполагать, что его исполнителем является автоматическое устройство  ЭВМ. Это накладывает на запись алгоритма целый ряд обязательных требований. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которыми должен обладать алгоритм, адресуемый к исполнению на ЭВМ.

1. Первым свойством алгоритма является дискретный (пошаговый) характер определяемого им процесса. Возникающая в результате такого разбиения запись алгоритма представляет собой упорядоченную последовательность отдельных предписаний (директив, команд), образующих прерывную/дискретную структуру алгоритма: только выполнив требования одного предписания можно приступить к исполнению следующего.