Операционные системы поддерживают операции блокировки файла для защиты доступа к нему со стороны различных процессов. Под процессом понимается запущенная пользователем компьютерная программа и выполняемая процессором.
Пользователи, которым разрешено входить в систему, перечислены в учетной базе пользователей. Пользователи объединяются в группы. Группы пользователей перечислены в учетной базе групп. Каждому пользователю и каждой группе присвоены числовые идентификаторы.
Входя в систему, пользователь сообщает ей свое имя, по которому определяется его идентификатор и права доступа. Вводя команды в компьютер, пользователь тем самым порождает процессы, которые наследуют его права и получают пользовательский и групповой идентификаторы.
С каждым файлом и с каждой папкой связана пара идентификаторов: пользовательский и групповой. Файл наследует эти идентификаторы от процесса, создавшего данный файл. Процесс, пользовательский идентификатор которого совпадает с пользовательским идентификатором файла, считается владельцем данного файла.
Файл можно читать, записывать и выполнять. Права процессов при доступе к файлу хранятся в атрибутах защиты файла. Эти атрибуты могут быть изменены только процессом, имеющим на это право. Как правило, такими процессами являются процессы, запускаемые администратором системы.
Проверка прав происходит, когда процесс пытается открыть файл для чтения, для записи или для его выполнения.
Все пользователи, имеющие доступ в систему, разделены по отношению к файлу на три категории:
1. Владельцы. Пользовательский идентификатор процессов, которые они запускают, совпадает с пользовательским идентификатором файла.
2. Члены группы. Групповой идентификатор процессов, которые они запускают, совпадает с групповым идентификатором файла.
3. Прочие. Пользовательский и групповой идентификаторы процессов, которые они запускают, не соответствуют с пользовательским и групповым идентификаторами файла.
Владельцы и члены группы получают доступ к файлу. Прочие пользователи не получают доступа к файлу.
Администратор системы имеет самые полные права доступа к файлам и папкам, а также доступ к информации о пользователях и группах в учетной базе и доступ к информации о защите конкретного файла или папки.
Управление внешними устройствами.
Управление внешним устройством выполняет центральный процессор. Выполняя специализированную программу – драйвер внешнего устройства процессор формирует данные для передачи на внешнее устройство, а также принимает данные со внешнего устройства. Такой процесс называется обмен данными со внешним устройством.
Существуют два типа управления обменом данными: прямой и косвенный.
Прямое управление. Прямое управление реализует непосредственную связь между процессором и внешним устройством. Управление осуществляется с помощью последовательности специальных команд, которые формирует процессор при выполнении программы-драйвера. При этом процессор обеспечивает полный алгоритм взаимодействия, содержащий следующие операции:
1. Подготовка данных для обмена со внешним устройством.
3. Инициализация, т.е. проверка подключения внешнего устройства.
4. Проверка готовности внешнего устройства к обмену данными.
5. Обмен данными со внешним устройством.
6. Завершение работы и останов внешнего устройства.
Косвенное управление. При косвенном управлении между процессором и внешним устройством помещается контроллер. Центральный процессор при этом выполняет только 2 начальные операции алгоритма взаимодействия, и переходит затем к решению других задач. Остальные 4 операции алгоритма взаимодействия выполняет контроллер по специальной программе. Косвенное управление позволяет получить большую производительность компьютера при обмене со внешними устройствами. Контроллеры применяются например для управления клавиатурой, накопителем на гибком диске, накопителем на жестком диске, накопителем на оптическом диске.
Контрольные вопросы.
1. Задачи управления данными(3);
2. Определение интерфейса внешнего устройства;
3. Состав интерфейса внешнего устройства;
4. Назначение порта ВУ;
5. Определение системной шины ПК;
6. Назначение контроллера ВУ;
7. Определение адаптера;
8. Определение модема;
9. Определение протокола обмена данными ВУ;
10. Назначение драйвера ВУ;
11. Определение файла;
12. Операции цикла обработки файла(3);
13. Этапы операции открытие файла(3);
14. Этапы операции обработка каждой записи файла(3);
15. Этапы операции закрытие файла(2);
16. Назначение файловой системы;
17. Объяснить понятие разметка диска;
18. Назначение основного раздела;
19. Назначение дополнительного раздела;
20. Назначение технологии RAID;
21. Определение утилиты;
22. Наиболее популярные утилиты по разметке диска(3);
23. Особенности утилиты Partition Magic;
24. Особенности утилиты Acronis;
25. Особенности утилиты Ghost;
26. Устройство жесткого диска;
27. Объяснить понятие дорожка;
28. Объяснить понятие сектор;
29. Объяснить понятие кластер;
30. Объяснить понятие цилиндр;
31. Адрес кластера(3);
32. Состав файловой системы FAT32(4);
33. Состав таблицы содержания(4);
34. Назначение области файлов;
35. Назначение области переполнения;
36. Назначение области свободных кластеров;
37. Назначение области сбойных кластеров;
38. Причины возникновения логических ошибок в файловой системе;
39. Определение процесса;
40. Объяснить понятие числовой идентификатор;
41. Категории пользователей(3);
42. Определение категории владельцы;
43. Определение категории члены группы;
44. Определение категории прочие;
45. Типы управления обменом данными с внешним устройством;
46. Особенности прямого управления
47. Операции алгоритма взаимодействия при прямом управлении;
48. Особенности косвенного управления;
49. Операции алгоритма взаимодействия при косвенном управлении.
Тема 3. Управление задачами в операционных системах
Конкретные задачи в среде ОС решаются путем реализации различных процессов.
Управление процессами.
Процесс - это программный модуль, выполняемый центральным процессором (CPU). Операционная система контролирует следующие операции, связанные с процессами:
1. Создание и удаление процессов.
2. Планирование процессов.
3. Синхронизация процессов.
4. Коммуникация процессов.
5. Разрешение тупиковых ситуаций.
Не следует путать понятия процесс и программа. Программа – это список команд-инструкций для процессора, т.е. план действий процессора. Процесс - это само действие, т.е. выполнение процессором заданных инструкций.
Для одной программы могут быть созданы несколько процессов в том случае, если с помощью одной программы в процессоре выполняется несколько несовпадающих последовательностей команд. За время существования процесс многократно изменяет свое состояние.
Различают следующие состояния процесса:
1. Новый процесс – это процесс, который только что создан.
2. Готовый процесс – это процесс, который ожидает освобождения процессора, занятого решением другой задачи.
3. Выполняемый процесс – это процесс, происходящий в соответствии с программой, команды которой выполняются процессором.
4. Ожидающий процесс – это процесс, который ожидает некоторого события, чаще всего операции ввода-вывода со внешним устройством.
5. Завершенный процесс – это процесс, который завершил свою работу.
Планирование процессов.
Система управления процессами обеспечивает прохождение процесса через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот или иной ресурс. Например, новый процесс необходимо разместить в оперативной памяти, следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства оперативной памяти. Готовому процессу должно быть предоставлено процессорное время. Выполняемому процессу должно быть предоставлено устройство ввода-вывода и доступ к файлу.
Планирование процессов – это распределение процессов между имеющимися ресурсами. Одним из методов планирования процессов является метод очередей ресурсов.
Новые процессы находятся во входной очереди, которая называется очередь заданий. Очередь заданий располагается во внешней памяти. В очереди заданий процессы ожидают освобождения ресурса – адресного пространства оперативной памяти.
Готовые процессы располагаются в оперативной памяти и связаны очередью готовых процессов. Процессы в этой очереди ожидают освобождения ресурса – процессорное время.
Ожидающий процесс находится в очереди к оборудованию. Очередь к оборудованию также располагается в оперативной памяти.
При прохождении через компьютер процесс мигрирует между различными очередями под управлением программы, которая называется планировщик. Операционная система, как правило, имеет два планировщика: долгосрочный планировщик и краткосрочный планировщик.
Долгосрочный планировщик. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие системные действия, требующие больших затрат системных ресурсов. Долгосрочный планировщик запускается один раз за несколько минут.
Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящийся в очереди заданий, должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае освобождения ресурсов памяти.
Долгосрочный планировщик так формирует очередь готовых процессов, чтобы в ней присутствовали как процессы, ориентированные на ввод-вывод, так и процессы, ориентированные на работу с процессором.
На уровне долгосрочного планирования объектом управления является не отдельный процесс, а некоторое объединение процессов по функциональному назначению, которое называется работой. Каждая работа рассматривается как независимая от других работ деятельность, связанная с использованием одной или многих программ. Для каждой работы процессор выделяется однократно.
Краткосрочный планировщик. На уровень краткосрочного планирования выносятся частые и более короткие процессы. Краткосрочный планировщик может запускаться каждые 100 мс.
Краткосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся в очереди готовых процессов, должен быть передан на выполнение в процессор.
На уровне краткосрочного планирования объектом управления являются процессы, которые выступают как потребители времени центрального процессора. Выделение времени процессора конкретному процессу производится многократно.
Взаимодействие процессов.
Совместно выполняемые процессы могут быть либо независимыми, либо взаимодействующими. Взаимодействие процессов представляет из себя взаимный обмен данными через общий буфер данных.
При взаимодействии двух процессов один рассматривается как процесс-производитель, другой рассматривается как процесс-потребитель. Например, программа вывода на печать производит последовательность символов и вызывает процесс-производитель. Символы потребляются драйвером принтера, который вызывает процесс-потребитель.
Для взаимодействия процесса-производителя и процесса-потребителя создается совместный буфер памяти. Буфер заполняется данными процессом-производителем. Данные из буфера считываются процессом-потребителем.
Буфер имеет фиксированный размер и, следовательно, процессы могут находиться в состоянии ожидания в следующих случаях:
1. Буфер заполнен – процесс-производитель ожидает, когда буфер освободиться, чтобы записать туда данные.
2. Буфер пуст – процесс-потребитель ожидает, когда в буфере появятся данные, чтобы их использовать.
В ОС существуют специализированные интерфейсы для организации взаимодействия между процессами:
1. DDE – динамический обмен данными. Он стандартизирует обмен командами, сообщениями и объектами между различными процессами. Наиболее распространенным процессом, для которого используется DDE, является печать.
2. OLE – связывание и встраивание объектов. Он позволяет хранить объекты, созданные одной программой, в объектах, созданных другой программой, а также редактировать и печатать эти объекты без нарушения целостности информации и связей.
3. Clipboard – буфер межпрограммного взаимодействия. Он может содержать в себе один информационный объект – фрагмент текста, рисунок и т.п. С помощью системного вызова процесс может получить копию информации, содержащейся в буфере обмена, или сам поместить объект в буфер. При этом старое содержимое буфера теряется.
Контрольные вопросы.
1. Операции операционной системы, связанные с процессами(5);
2. Состояния процесса(5);
3. Особенность нового процесса;
4. Особенность готового процесса;
5. Особенность выполняемого процесса;
6. Особенность ожидающего процесса;
7. Особенность завершенного процесса;
8. Определение планирование процессов;
9. Особенности очереди заданий;
10. Особенности очереди готовых процессов;
11. Особенности очереди к оборудованию;
12. Определение программа планировщик;
13. Особенности долгосрочного планировщика;
14. Определение работы;
15. Особенности краткосрочного планировщика;
16. Объяснить понятие взаимодействие процессов;
17. Случаи, при которых процесс находится в состоянии ожидания;
18. Специализированные интерфейсы для организации взаимодействия между процессами;
19. Особенности интерфейса DDE;
20. Особенности интерфейса OLE;
21. Особенности интерфейса Clipboard.
Тема 4. Архитектура 32-разрядных операционных систем Windows
Наиболее популярной файловой системой, которая применяется в 32-разрядных операционных системах Windows является файловая система NTFS.
Особенности файловой системы NTFS:
1. Работа с большими дисками. NTFS способна работать с дисками очень больших размеров до 16 терабайт.
2. Устойчивость. Вместо таблиц FAT в NTFS для хранения информации о размещении файлов используется база данных MFT, причем используются две копии MFT. Этим обеспечивается повышенная защита целостности данных.
3. Защищенность. NTFS хранит не только информацию о размещении файлов но и права доступа к ним, что позволяет эффективно защищать информацию от несанкционированного доступа.
4. Восстанавливаемость. В NTFS встроены средства восстановления после сбоя, не нужно запускать утилиту восстановления.
5. Эффективность. При использовании NTFS значительно уменьшаются потери из-за фрагментации диска.
6. Компрессия данных. NTFS позволяет сжимать отдельные каталоги и файлы. Использование этой функции позволяет существенно экономить пространство на диске.
7. Поиск файлов. NTFS позволяет выполнять поиск файлов по имени его владельца. Кроме того можно легко определить какие файлы доступны пользователю и установить права доступа к отдельным файлам или папкам.
8. Присоединение дисковых ресурсов. С помощью этой функции можно присоединить любой дисковый ресурс в любое место файловой системы. Например можно присоединить жесткий диск D:\ в любую папку на диске C:\. Зайдя в эту папку на диске C:\ можно будет просмотреть содержимое корневого каталога диска D:\. Таким образом, пользователь, работая с одним диском, не будет знать, что фактически он работает с двумя дисками.
9. Динамические диски. NTFS позволяет создавать динамические разделы на жестком диске, которые могут быть объединены в один раздел. Это обеспечивает большую скорость при выполнении дисковых операций.
10. Зеркальные диски. Зеркальные диски состоят из двух физических дисков. Данные, записываемые на одном из дисков, автоматически дублируются на другом. Это не дает никаких преимуществ в плане скорости, но зато обеспечивает вдвое большую степень надежности сохранности данных.
