Что составляет основу работы пользователя с операционной системой windows

Обновлено: 04.07.2024

Основу базового системного программного обеспечения составляет операционная система.
Операционная система - представляет собой совокупность программных средств, созданных специально для организации диалога пользователя и компьютера, для управления аппаратурой и ресурсами, для запуска программ и выполнения некоторых других функций.

Работа содержит 1 файл

Основы работы с операционной системой Windows (основные объекты и приемы управления Windows, файлы и папки Windows) [2].doc

Основу базового системного программного обеспечения составляет операционная система.

Операционная система - представляет собой совокупность программных средств, созданных специально для организации диалога пользователя и компьютера, для управления аппаратурой и ресурсами, для запуска программ и выполнения некоторых других функций.

Основная функция всех операционных систем – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов взаимодействия – интерфейса:

интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами (интерфейс пользователя);
интерфейс между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
интерфейс между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Операционная система загружается автоматически при включении компьютера. Каждая программа пользуется услугами операционной системы, а потому может работать только под управлением той операционной системы, которая обеспечивает для нее эти услуги. Таким образом, выбор операционной системы очень важен, так как он определяет, с какими программами Вы сможете работать на своём компьютере. От выбора операционной системы зависят также производительность Вашей работы, степень защиты Ваших данных, необходимые аппаратные средства.

В данной работе будет рассмотрена операционная система Windows.

1 Основные объекты и приемы управления Windows

Windows XP является графической операционной системой для компьютеров платформы IBM PC. Её основные средства управления – графический манипулятор (мышь или иной аналогичный) и клавиатура. Система предназначена для управления автономным компьютером, но также содержит все необходимое для создания небольшой локальной компьютерной сети и имеет средства для интеграции компьютера во всемирную сеть.

1.1.Рабочий стол Windows XP

Стартовый экран Windows XP представляет собой системный объект, называемый Рабочим столом. Практически, экран Windows XP является Рабочим столом. Однако существуют видеоадаптеры, позволяющие создать Рабочий стол, размер которого больше, чем видимый размер экрана. Кроме того, Windows XP имеет штатные средства позволяющие разместить Рабочий стол на нескольких экранах, если к компьютеру подключено несколько мониторов.

Рабочий стол – это графическая среда, на которой отображаются объекты Windows и элементы управления Windows. Все, с чем мы имеем дело, работая с компьютером в данной системе, можно отнести либо к объектам, либо к элементам управления. В исходном состоянии на рабочем столе можно наблюдать несколько экранных значков и Панель задач (рис.1). Значки – это графическое представление объектов Windows, а Панель задач – один из основных элементов управления.

Рисунок 1 – Рабочий стол Windows XP

Пиктограммы - маленькие картинки, представляющие собой программы, файлы, папки, информацию компьютера.

Панель задач содержит кнопку Пуск, кнопки всех открытых приложений, а также индикатор системного времени.

Указатель мыши - значок, представляющий на экране манипулятор мыши и используемый для выбора команд.

Среди пиктограмм всегда присутствуют:

В пунктах меню кнопки Пуск присутствуют:

Программы - отображается каскадное меню, содержащее команды для запуска стандартных программ Windows, Microsoft Word и др.
Документы - отображается до 15 документов, которые открывались последними. Для быстрого доступа к документу нужно щелкнуть на имени документа.
Настройка - отображается каскадное меню, включающее папки Панель управления, Принтеры, Панель задач и меню «Пуск» и другие. Предназначена для настройки параметров компьютера.
Найти - позволяет осуществлять поиск определенных файлов, папок или компьютеров.
Справка - отображает справочную информацию о выполнении задач и процедур Windows.
Выполнить - позволяет ввести команду для запуска программы с жесткого диска, флоппи-диска или CD-ROM.
Завершение работы - диалоговое окно, с помощью которого выполняется подготовка компьютера к выключению.

1.2.Управление Windows XP

В Windows XP большую часть команд можно выполнять с помощью мыши. С мышью связан активный элемент управления – указатель мыши. При перемещении мыши по плоской поверхности указатель перемещается по Рабочему столу, и его можно позиционировать на значках объектов или на пассивных элементах управления приложений.

Основными приемами управления с помощью мыши являются:

щелчок – быстрое нажатие и отпускание левой кнопкой мыши;
двойной щелчок – два щелчка, выполненные с малым интервалом времени между ними;
щелчок правой кнопкой – то же, что и щелчок, но с использованием правой кнопки;
перетаскивание (drag-and-drop) - выполняется путем перемещения мыши при нажатой левой кнопке (обычно сопровождается перемещением экранного объекта, на котором установлен указатель);
протягивание мыши (click-and-drag) - выполняется, как и перетаскивание, но при этом происходит не перемещение экранного объекта, а изменение его формы;
специальное перетаскивание - выполняется, как и перетаскивание, но при нажатой правой кнопке мыши, а не левой;
зависание - наведение указателя мыши на значок объекта или на элемент управления и задержка его на некоторое время (при этом обычно на экране появляется всплывающая подсказка, кратко характеризующая свойства объекта).

1.3 Значки и ярлыки объектов

Создание ярлыков объектов - это одна из функций приема специального перетаскивания.

Значок является графическим представлением объекта. То, что мы делаем со значком, мы на самом деле делаем с объектом. Например, удаление значка приводит к удалению объекта; копирование значка приводит к копированию объекта и т. д. Ярлык же является только указателем на объект. Удаление ярлыка приводит к удалению указателя, но не объекта; копирование ярлыка приводит к копированию указателя, но не объекта.

Для пользователя приемы работы с ярлыками ничем не отличается от приемов работы со значками. Точно так же можно запускать программы двойным щелчком на их ярлыках, так же можно и открывать документы. Зато ярлыки позволяют экономить место на жестком диске.

Если объект (например, файл с текстовым документом) имеет большой размер, то его многократное копирование в различные окна папок привело бы фактически к появлению новых объектов (копий файла). При этом многократно увеличился бы расход рабочего пространства на жестком диске, а у пользователя появились бы сложнейшие заботы по синхронизации содержимого этих копий (при редактировании одной копии ее изменения без специальных мер никак не отразятся на содержимом других копий).

С другой стороны, ярлык является лишь указателем, он занимает ничтожно мало места, и его размножение позволяет обеспечить удобный доступ к связанному с ним объекту из разных мест операционной системы. При этом расход рабочего пространства на жестком диске ничтожен, и нет проблем с синхронизацией данных. Из какой бы папки ни открывался документ щелчком на его ярлыке, редактированию всегда подвергается только один связанный с ним объект.

2 Файлы и папки Windows

Способ хранения файлов на дисках компьютера называется файловой системой. Иерархическая структура, в виде которой операционная система отображает файлы и папки диска, называется файловой структурой. Как все дисковые операционные системы, Windows ХР предоставляет средства для управления этой структурой.

Файл – это информация определенного типа, размещенная на диске, которая имеет имя и является единым целым. Имя может иметь до 255 русских или латинских символов, за исключением следующих – \ /: *? «< > |.

Существуют файлы различных типов: программы, текстовые документы, рисунки, таблицы и др. Для определения типа файла служит расширение – обычно три символа, которые добавляются через точку к имени файла. Например, файл «Лунный цветок.bmp» имеет имя «Лунный цветок» и расширение «.bmp», которое указывает, что тип данного файла – точечный рисунок. Рассмотрим ещё несколько стандартных расширений:

exe – обозначает исполняемый файл, хранящий в себе программу. Например: winword.exe;
mp3, wav – звук в цифровом формате;
avi – видеозапись;
txt, doc – текстовые файлы;
bmp, jpg – графическая информация;
xls – таблица;
htm, html – гипертекстовый документ Интернет;
arj, zip, rar – файлы архивов.

Расширение указывает операционной системе, как следует обрабатывать данный файл. Например, любой файл с расширением .exe операционная система будет пытаться выполнить как программу, а с расширением .bmp – будет выводить на экран с помощью программы просмотра изображений.

Таким образом, имя файла состоит из двух частей: собственно имя – название файла и идентификатор, определяющий его тип. Имя файла чаще всего может быть выбрано произвольно самим пользователем. Расширение, наоборот жестко привязано к типу файла, и менять его противопоказано.

Рисунок 2 – Окно свойств файла

По умолчанию операционная система скрывает известные расширения файлов от пользователя, а узнать о типе любого файла можно с помощью команды контекстного меню Свойства (см. рис. 2).

2.2 Просмотр папок Windows

На дисках может храниться большое количество файлов, например, только системных файлов Windows XP несколько тысяч. Чтобы упорядочить их, используют папки. Папки, также как и файлы, размещаются на диске и служат для регистрации имен файлов. Каждая папка имеет имя, требования к именам папок такие же, как и для имен файлов. Кроме файлов, любая папка может содержать и другие папки, которые в свою очередь также могут иметь папки. В итоге получается иерархическая структура папок, которую еще называют деревом папок.

В одну папку помещаются файлы, соответствующие какому-то общему признаку. Чтобы указать расположение на компьютере определенного файла, нужно указать имя диска и последовательно имена папок, которые необходимо открыть, чтобы добраться до этого файла. Эта последовательность называется путем к файлу, или адресом или полным именем файла. При записи адреса принято разделять имена дисков и файлов символом \. Например, путь к файлу Водяные лилии (см. рис. 2) будет выглядеть так:

C:\ Documents and Settings \ All Users\ Документы \ Мои рисунки \ Образцы рисунков

Рисунок 2 – Дерево папок в окне программы Проводник

Чтобы найти этот файл, нужно открыть содержимое диска С:, после чего последовательно открывать указанные в адресе папки.

Окно папки - это контейнер, содержимое которого графически отображает содержимое папки. Любую папку Windows можно открыть в своем окне. Количество одновременно открытых окон может быть достаточно большим - это зависит от параметров конкретного компьютера. Окна - одни из самых важных объектов Windows. Абсолютно все операции, которые мы делаем, работая с компьютером, происходят либо на Рабочем столе, либо в каком-либо окне.

Окна папок не единственный тип окон в Windows. По наличию однородных элементов управления и оформления можно выделить и другие типы окон: диалоговые окна, окна справочной системы и рабочие окна приложений, а внутри окон многих приложений могут существовать отдельные окна документов (если приложение позволяет работать с несколькими документами одновременно).

Современный Windows - это операционная система, управляющая работой персонального компьютера. Windows имеет удобный графический пользовательский интерфейс. В отличие от старой операционной системы DOS с текстовым интерфейсом, Windows не требует знания команд операционной системы и их точного ввода с клавиатуры. Подавляющее большинство операций по управлению работой персонального компьютера выполняются манипулятором мышь над графическими объектами Windows, либо короткими комбинациями клавиш (горячими клавишами) на клавиатуре.

Пользовательский интерфейс – это методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами компьютера.
Стартовый экран Windows представляет собой системный объект, называемый рабочим столом.

Рабочий стол - это графическая среда, на которой отображаются объекты и элементы управления Windows. На рабочем столе можно видеть значки (пиктограммы), ярлыки и панель задач (основной элемент управления). При запуске Windows на рабочем столе присутствуют, как минимум , три значка: Мой компьютер, Сетевое окружение, Корзина. На рабочем столе могут быть расположены и другие значки. Его можно использовать и как временное хранилище своих файлов, но по окончании работы в учебном классе они должны быть либо удалены, либо перемещены в собственные папки.

Значки являются графическим изображением объектов и позволяют управлять ими. Значок - это графическое представление объекта в свернутом виде, соответствующее папке, программе, документу, сетевому устройству или компьютеру. Значки, как правило имеют метки - надписи, которые располагаются под ними. Щелчок левой кнопкой мыши по значку позволяет выделить его, а двойной щелчок – открыть (запустить) соответствующее этому значку приложение.

Ярлык является указателем на объект. Ярлык – это специальный файл, в котором содержится ссылка на представленный им объект (информация о месте расположения объекта на жестком диске). Двойной щелчок мыши по ярлыку позволяет запустить (открыть) представляемый им объект. При его удалении сам объект не стирается, в отличие от удаления значка. Достоинство ярлыков в том, что они обеспечивают быстрый доступ к объекту из любой папки, не расходуя на это памяти. Отличить ярлык от значка можно по маленькой стрелке в левом нижнем углу пиктограммы.

Панель задач является инструментом для переключения между открытыми папками или приложениями. В левой части панели задач расположена кнопка "Пуск"; в правой - панель индикации. На самой панели изображаются все открытые в данный момент объекты.

Выше на рисунке показан рабочий стол Windows с открытым Главным меню, окном текстового процессора Word, значками и ярлыками и некоторыми свернутыми на панели задач документами.

Из других понятий Windows следует отметить понятия каталога и папки.

Каталог – поименованная группа файлов, объединенных по какому-либо признаку.

Папка – понятие, которое используется в Windows вместо понятия каталог в более ранних операционных системах. Понятие папка имеет расширенное толкование, так как наряду с обычными каталогами папки представляют и такие объекты, как Мой компьютер, Проводник, Принтер, Модем и др.

Структура окна папки

Типовое окно папки показано на рисунке.

Окно содержит следующие обязательные элементы.

Строка заголовка - в ней написано название папки. Служит для перетаскивания окна.
Системный значок. Открывает служебное меню, с помощью которого можно управлять размером и расположением окна.
Кнопки управления размером: разворачивающая (восстанавливающая), сворачивающая, закрывающая.
Строка меню (ниспадающее меню). Гарантированно предоставляет доступ ко всем командам данного окна.
Панель инструментов. Содержит командные кнопки для выполнения наиболее часто встречающихся операций. Часто пользователь может сам настраивать эту панель размещая на ней необходимые кнопки.
Адресная строка. В ней указан путь доступа к текущей папке. Позволяет быстро перейти к другим разделам файловой структуры.
Рабочая область. Отображает значки объектов, хранящихся в папке, причем способом отображения можно управлять.
Полосы прокрутки – позволяют прокручивать содержимое окна в горизонтальном или вертикальном направлении если информация не умещается в окне.
Строка состояния. Выводит дополнительную информацию об объектах в окне.

Файловая система персонального компьютера

Файловая система обеспечивает хранение и доступ к файлам на диске. Принцип организации файловой системы - табличный. Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром подразумевается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и равноудаленных от оси вращения. Данные о том, в каком месте записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальной таблице размещения файлов (FAT-таблица). FAT-таблица хранится в двух экземплярах, идентичность которых контролируется операционной системой.

ОС MS-DOS, OS/2, Windows-95/NT реализуют 16-разрядные поля в FAT-таблицах. Такая система называлась FAT-16. Такая система позволяет разместить не более 65536 записей о местоположении единиц хранения данных. Наименьшей единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байтам. Группы секторов условно объединяют в кластеры, которые являются наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера зависит от емкости диска: в Fat-16 для дисков от 1 до 2 Гбайт 1 кластер занимает 64 сектора или 32 Кбайта. Это нерационально, поскольку даже маленький файл занимает 1 кластер. У больших файлов, занимающих несколько кластеров, в конце образуется незаполненный кластер. Поэтому потери емкости для дисков в системе FAT-16 могут быть очень велики. С дисками свыше 2,1 Гбайт FAT-16 вообще не работает.

В Windows 98 и старших версиях реализована более совершенная файловая система - FAT-32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Она обеспечивает маленький размер кластера для дисков большой емкости. Например, для диска до 8 Гбайт 1 кластер занимает 8 секторов (4 Кбайта).

Файл - это именованная последовательность байтов произвольной длины. До появления Windows-95 общепринятой схемой именования файлов была схема 8.3 (короткое имя) – 8 символов собственно имя файла, 3 символа – расширение его имени. Недостаток коротких имен - их низкая содержательность. Начиная с Windows-95 введено понятие длинного имени (до 256 символов). Оно может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ / : * ? " < > |.

Расширением имени считаются все символы после последней точки. В современных операционных ситемах расширение имени несет для системы важную информацию о типе файла. Типы файлов регистрируются и связывают файл с открывающей его программой. Например файл MyText.doc будет открыт текстовым процессором Word, поскольку расширение .doc обычно связывается именно с этим приложением. Обычно, если файл не связан ни с какой открывающей программой, то на его значке обозначен флаг - логотип Microsoft Windows, а открывающую программу пользователь может указать сам, выбрав ее из предоставленного ОС списка.

Логически структура файлов организована по иерархическому принципу: папки более низких уровней вкладываются в папки более высоких уровней. Верхним уровнем вложенности является корневой каталог диска. Термины "папка" и "каталог" равнозначны. Каждому каталогу файлов на диске соответствует одноименная папка операционной системы. Однако, понятие папки несколько шире. Так в Windows-95 существуют специальные папки, осуществляющие удобный доступ к программам, но которым не соответствует ни один каталог диска.

Атрибуты файлов - это параметры, определяющие некоторые свойства файлов. Для получения доступа к атрибутам файла, следует щелкнуть правой кнопкой мыши по его значку и выбрать меню Свойства. Основных атрибутов 4: "Только для чтения", "Скрытый", "Системный", Архивный". Атрибут "Только для чтения" предполагает, что файл не предназначен для внесения изменений. Атрибут "Скрытый" говорит о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Атрибутом "Системный" помечаются наиболее важные файлы ОС (как правило они имеют и атрибут "Скрытый"). Атрибут "Архивный" связан с резервным копированием файлов и особого значения не имеет.

Операции с файлами и папками

Копирование и перемещение

1 способ. Разместить на рабочем столе два окна: источник и приемник копирования. Выделить в окне-источнике необходимые значки. Несколько значков выделяются при нажатой клавише Ctrl. Перетащить мышью выделенные значки в окно-приемник, указав на любой из выделенных значков. При одновременно нажатой клавише Ctrl происходит копирование, без нее - перемещение элементов (при условии, что папки находятся на одном диске).

2 способ. Выделить копируемые элементы. Выбрать меню Правка/Копировать (Вырезать). При выборе "Вырезать" произойдет перемещение. Открыть папку-приемник. Выбрать меню Правка/Вставить.

Удаление файлов и папок

Удаление файлов выполняется выбором элементов и нажатием клавиши Delete. При этом отмеченные элементы перемещаются в специальную папку - Корзину. При очистке корзины происходит уничтожение файлов. Существует еще операция стирания файлов, когда специальными служебными программами кластеры, в которых содержались стираемые файлы, заполняются случайными данными.

Групповые операции с файлами

Если требуется выполнить операцию копирования или удаления с большим количеством файлов одновременно, то выделять их удерживая Ctrl не очень удобно. Можно выделить целую группу подряд идущих значков, щелкнув по первому их них и при нажатой клавише Shift - по последнему. Однако, в этом случае требуется определенным образом упорядочить значки. Для этого следует открыть папку с файлами и обратиться к меню Вид/Упорядочить значки. Существует 4 способа упорядочивания значков в папке: по имени, по типу, по размеру, по дате. Например, необходимо скопировать все файлы с расширением .txt. В этом случае следует упорядочить значки по типу, после чего все файлы типа .txt будут сгруппированы вместе и использовать клавишу Shift для их выделения. Аналогичный прием применяется для выделения "старых" файлов (упорядочение по дате), "маленьких" (упорядочение по размеру) и в других стандартных ситуациях.

Если в окне не показана полная информация о файлах (расширение, объем и дата создания), следует обратиться к меню окна папки Вид/Таблица и в окне будут выведены все характеристики файлов.

Переименование файлов и папок.

Переименование файла или папки выполняется либо через меню Переименовать, вызываемого щелчком правой кнопки мыши на соответствующем значке, либо щелчком по имени выделенного значка.

Замечание. Удаление или переименование невозможно, если указанный файл уже открыт каким-либо приложением.

Работа с буфером обмена

ОС Windows создает и обслуживает специальную область памяти, называемую буфером обмена. Буфер обмена служит для обмена данными между приложениями Windows. Описанный выше второй способ копирования предполагает использование буфера обмена.

В меню Правка для операций с буфером обмена используются пункты Копировать, Вырезать и Вставить. Первые два помещают в буфер обмена объект, последний - копирует из буфера обмена. Если объект (часть текста, рисунок и т.д.) не выделен, то первые два пункта будут не активны. Если буфер обмена пуст, то не будет активен и третий пункт.

Операции с буфером обмена выполняются очень часто, поэтому на панель инструментов окна помещаются кнопки быстрого доступа.

Самый быстрый способ работы с буфером обмена - использование комбинаций клавиш: Ctrl+C - копировать; Ctrl+X - вырезать; Ctrl + V - вставить.

Меня зовут Андрей Артемьев, я работаю в Microsoft над ядром ОС Windows 10, ранее я работал над Windows 10x (WCOS), XBox, Windows Phone и Microsoft Edge. Я хочу популярно в образовательных целях рассказать о том как работает компьютер на примере клавиатурного ввода и Windows 10. Данный цикл статей рассчитан в первую очередь на студентов технических специальностей. Мы рассмотрим какой путь проходит информация о нажатой клавише от клавиатуры до отображения в Notepad.exe. В виду обширности и междисциплинарности темы в статьях могут быть неточности, о которых сообщайте в комментариях. Какая-то информация может быть устаревшей в виду скорости с которой развивается Windows.

Насколько глубоко мы погрузимся в тему?

Давайте для начала в общих чертах поговорим об уровнях на которых можно рассматривать компьютер. Каждый уровень основывается на предыдущем. Начнём с самого верха.

Уровень операционной системы. ОС можно рассматривать как:

Менеджер ресурсов — память, жёсткие диски, принтеры, экран, клавиатура ограниченные ресурсы которые совместно используются запущенными на компьютере программами.
Виртуальная машина — файл это наглядный пример виртуального объекта. Он представляет абстракцию данных на диске, API для работы с ним и так же добавляет концепцию прав доступа. Вместо файла могла быть концепция контейнера данных и совершенно другого API. Таких виртуальных объектов в ОС много.
Платформа — ОС предоставляет программные модели и примитивы для построения программ. К примеру Windows Drivers Framework позволяет быстро разрабатывать драйвера, окна в Windows используются для построения сложных пользовательских интерфейсов. Dll — предоставляет модель расширения функционала программы через плагины, а так же механизм для реализации читалки экрана через ловушки клавиатуры (см. LowLevelKeyboard hook).

Уровень архитектуры компьютера. Он представлен материнской платой, которая имеет определённый форм-фактор, встроенные функции закодированные в микросхемах называемых чип-сетом и порты, через которые можно расширять функционал компьютера подключив графическую карту, сетевую карту, дополнительную оперативную память (RAM), жёсткие диски, клавиатуру и пр. Порты влияют на скорость работы и возможности компьютера, что и будет определять его назначение будь то сервер для обработки тысяч запросов в секунду, планшет для пользования Интернетом или игровой ПК с несколькими видеокартами. ОС абстрагирует особенности материнской платы.

Микросхемы выглядят как на картинке ниже и представляют собой мини-компьютер выполняющий простые программы для низкоуровневых задач, к примеру прочитать данные от клавиатуры и передать их дальше чтобы они достигли в конечном счёте процессора. Как правило реализованы в виде аналоговой непрограммируемой микросхемы или микроконтроллера, программируемого на языке С.

Материнскую плату можно рассматривать как колонию микросхем которые общаются между собой через шины и через них циркулируют данные от подключенных устройств к процессору и обратно. Чип-сет — это своего рода нервная система компьютера. Все чипы на материнской плате были изначально созданы чтобы работать друг с другом. Некоторые из них могут иметь особые функции, к примеру таймер или хранение настроек BIOS. Пожалуй самый важный из них тот что имеет встроенную программу (прошивку, BIOS, UEFI) которая начинает выполняться как только появляется электричество. Она находит жёсткий диск с загрузчиком Windows и передаёт тому управление который в свою очередь запускает исполняемый файл ОС, который можно назвать Windows10.exe, на самом деле NtOsKrnl.exe. BIOS знает что искать благодаря соглашению между производителями железа и операционных систем.

Вокруг материнской платы можно собрать мобильный телефон, игровую приставку, серверную станцию или умное устройство. На картинке ниже распространённые форм-факторы материнских плат.

Уровень микроархитектуры представлен процессором (CPU), это сердце материнки и весь чип-сет нужен для обслуживания CPU. Процессор это компьютер в компьютере, более мощный и продвинутый микроконтроллер которому не нужна прошивка, потому как поток команд подаётся на лету, когда планировщик потоков поменял контекст процессора. Функционал процессора делится на подсистемы, к примеру компонент занимающийся математическими и логическими операциями, математический сопроцессор, кэш. Какие-то из них раньше были отдельным чипом на материнской плате, но сейчас их сделали частью ЦПУ, например контроллер прерывания и микросхема под названием “Северный мост” что увеличило скорость работы.

Микроархитектура это не то же самое что архитектура. Весь функционал CPU разделён на компоненты, которые работают сообща. Эти компоненты и их взаимодействие и есть микроархитектура. На блок-схеме ниже они представлены цветными прямоугольниками и квадратиками.

Архитектура процессора это по сути документ который описывает какой функциональностью он должен обладать для того чтобы соответствовать к примеру архитектуре x86, x64 или ARM применяемой на мобильных устройствах. В этом документе описано какие должны поддерживаться команды, назначения регистров и логика работы. Создатели процессоров Intel, AMD, Эльбрус могут реализовывать эту функциональность как угодно и добавлять к ней новые возможности в виде команд, регистров, флагов, прерываний и если ОС знает о них то может использовать. В терминах ООП архитектура ЦПУ — это интерфейс, а микроархитектура — его реализация.

Логические схемы. Цветные прямоугольники с блок-схемы CPU состоят из логических схем, которые производят свои операции на последовательностях нулей и единиц. Процессор видит все данные и команды в виде битов (0 и 1), по формуле любое десятичное число можно представить в виде последовательности 0 и 1, а вот что значит конкретное число зависит от контекста. Это может быть код, цифра, буква. Арифметическое и логическое устройство (ALU) умеет производить сложение двух чисел через побитовые операции. Побитовые алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления давно известны, разработчикам логической схемы их только надо эффективно реализовать.

Уровень радиоэлементов

Уровень законов физики. И наконец самый нижний уровень — это уровень законов физики которые заключены в полупроводниковые радиоэлементы.

Мы будем много говорить про уровень ОС и чуть меньше про архитектуру компьютера, микроархитектуру, аналоговые схемы и радиоэлементы. К последней части у вас должно быть понимание как это всё работает вместе.

Основы Операционной Системы

Когда мы проходили в универе программирование на ассемблере у многих студентов был ступор от таких умных слов как “режимы ядра и пользователя”, под которыми на самом деле скрывается хорошо всем известная ролевая система аутентификации, на всех сайтах есть как минимум “Админ” имеющий доступ ко всем страницам и “Пользователь” имеющий ограниченный доступ. Точно так же роль “Ядро” имеет доступ ко всем возможностям CPU, а роль “Пользователь” может вызывать не все команды процессора и не со всеми аргументами. Поверх этой ролевой модели по принципу клиент-серверной архитектуры построена операционная система, где сервер это ядро, которое и реализовывает функционал ОС, а клиент — это пользовательские программы. В мире Web клиент и сервер разделены физически — это два разных компьютера общающихся по сети. В ОС клиент и сервер живут на одной машине и на одном железе. У сервера есть некий API который позволяет клиентам изменять его состояние, к примеру Twitter API позволяет создавать посты, логиниться и загружать ленту твитов в мобильный клиент. У Windows есть Win API, только более громоздкий в виду более широкого круга задач, на сегодняшний день у винды примерно 330 000 API плюс API для UWP apps. Если концепции Твитера более менее всем понятны — пост, пользователь, фид — то концепции ОС могут потребовать некоторого углубления в её внутренности. Поэтому API Windows могут быть трудно понятными без понимания внутреннего устройства ОС.

На самом деле под ядром понимают три разные вещи. Ядро как весь код ОС. Ядро как подсистема которая отвечает за механизмы ОС, такие как планировщик потоков, переключение контекста, обработка прерываний, свап виртуальный памяти на физическую (Kernel) и ядро подсистемы для поддержки других ОС — CSRSS.exe (Windows), PSXSS.exe (POSIX), OS2SS.exe (OS/2) или WSL (Windows SubSystem for Linux). В данном контексте понимается первый смысл — весь код ОС.

Когда на экране появляется окно, то в серверной части ОС (режим ядра) появляется структура данных которая описывает это окно — его положение на экране, размеры, текст заголовка, оконная функция через которую ОС даёт приложению среагировать на события. Поскольку подсистем в ОС много, то и структур данных описывающих один объект может быть несколько, к примеру информация о пользовательском процессе есть в компонентах:

Executive — здесь логика работы ОС. В этом слое проверяется что могут и не могут делать процессы. Здесь хранится инфа о родительском процессе, параметры старта процесса (Process Environment Block), привязанный аккаунт пользователя, имя exe файла процесса.
Kernel — здесь реализованы механизмы ОС, такие как планировщик потоков. Здесь хранится сколько времени процесс проводит в режиме пользователя и ядра, к каким процессорам привязаны его потоки, базовый приоритет потоков процесса.
Windowing subsystem — инфа о GDI объектах которые используются для рисования в окне. Это такие примитивы как кисти, pen и пр.
DirectX — всё что имеет отношение к DirectX: шейдеры, поверхности, DX-объекты, счётчики производительности GPU, настройки памяти графической памяти.
Подсистема Windows которая представлена процессом CSRSS.exe (Client Server Runtime SubSystem). Windows ранее поддерживал ОС POSIX (процесс PSXSS.exe) и OS/2 (OS2SS.exe). В те времена возникла идея сделать и Windows такой же подсистемой, но эта было медленно и поэтому скоро часть CSRSS.exe перенесли в win32k.sys, который сейчас разбит на несколько файлов — win32k.sys, win32kbase.sys и win32kfull.sys. Здесь хранится информация о Process Group Data, Shutdown level, Session Data и пр.

Что такое компонент? Это логически сгруппированный функционал. Компонентом можно назвать ООП-класс, dll, папку, набор функций с общим префиксом, пространство имён, слой в архитектуре.

Более подробно о разделении на клиент-сервер

Разделение на клиент и сервер реализовано при помощи встроенной функциональности CPU, разделения памяти и программных проверок.

Производители оборудования сотрудничают с разработчиками ОС, поэтому в процессоре есть механизмы созданные с учётом потребностей создателей операционных систем. Во всех современных процессорах реализован механизм ролей пользователя, где под пользователем понимается исполняемый в данный момент код. В веб приложениях роль залогиненого пользователя хранится в какой-то переменной и помимо понятного названия Admin или User имеет Id этой роли который чаще и используется при авторизации, потому как сравнивать числа быстрее и проще чем строки. В процессоре роль текущего пользователя хранится в поле которое называется “кольцо безопасности” (Security Ring), а не “CurrentUser.Role.Id”. В большинстве процессоров это поле принимает четыре значения от 0 до 3. Windows использует 0 для роли которая называется “Режим Ядра”, потому как это самый привилегированный режим и самое большое значение для роли “Режим Пользователя”, потому как это самая ограниченная роль. Остальные роли не используются потому как различие между 0 и 1, 2 и 3 незначительное. Эти роли ограничивают страницы памяти которые могут быть адресованы, нельзя вызывать некоторые инструкции или же нельзя их вызывать с определёнными аргументами. Так же есть ограничения на использование технологии I/O Ports для обмена данными с устройствами такими как клавиатура, но она уже лет 10 не используется. Переключение в режим ядра происходит через команду syscall, которая по индексу находит в массиве указателей на APIs Windows функцию которую надо вызвать. Указатель на этот массив сохраняется в специальном регистре процессора во время загрузки ОС.

Прерывания могут генерироваться не только процессором но и внешними устройствами (клавиатура, мышь) или программным кодом. Планировщик потоков устанавливает таймер который с интервалами равными одному кванту (по умолчанию около 15мс, в Windows Server больше) генерирует прерывание чтобы по внутреннему алгоритму назначить другой поток на исполнение. Пошаговое исполнение программы в Visual Studio так же полагается на механизм прерываний — у процессора устанавливается флаг, который после каждой команды вызывает прерывание которое обрабатывает Windows Debugging Engine и уведомляет через API Visual Studio.

Разделение памятью реализовано благодаря виртуальной памяти. Ранее я говорил что ОС это менеджер ресурсов и виртуальная машина. Даже если у вас 1Гб RAM 32х битный Windows будет работать так как если бы у вас было 4Гб оперативки, т.е. реально у вас 1Гб, а виртуально 4Гб. Современные компьютеры основаны на теоретической модели машины Тьюринга или же архитектуре фон Неймана (с некоторыми изменениями). Согласно этим моделям память в компьютере это лента состоящая из ячеек размером один байт. Эти ячейки сгруппированы в страницы как правило по 4096 байт (4Кб), потому как:

64 битный адрес позволяет адресовать 16 экзабайт, это 18,446,744,073,709,551,616 ячеек памяти. Современные процессоры пока что не поддерживают так много RAM и поэтому используют только младшие 48 бит адреса, остальные 16 заполняются старшим разрядом. Поэтому Win x64 попросту не использует часть адресов, которые помечены на рисунке выше чёрным. Но это не значит, что 64х битный Windows “видит” 256 Tb оперативки. Максимум 8TB виртуальной памяти на архитектуре IA64 и 7TB на x64. Предел физической памяти поддерживаемой Windows 10 — 2TB, потому как с большим количеством Винда не тестировалась. Объём поддерживаемой RAM в Windows 10 определяется во многом редакцией ОС, чем дороже тем больше.

Почему ячейки памяти пронумерованы шестнадцатиричными (HEX) числами, а не десятичными или двоичными? Адрес ячейки это не просто порядковый номер, в нём закодировано три числа по которым эту ячейку можно отобразить на физическую память. Первые два это индексы по которым находится конкретная страница виртуальной памяти, а третье число — смещение от начала страницы. CPU и ОС здесь работают в связке — ОС предоставляет структуру данных по которой CPU находит страницу виртуальной памяти и копирует её в физическую. По HEX номеру можно сразу увидеть как выровнен в памяти адрес. Формат двоичного числа слишком громоздкий, 32 бита (или 64) трудны для восприятия. Десятичный формат — показывает слишком мало информации, тогда как HEX удобный компромисс между десятичной и двоичной системами, средами людей и машин.

Программный способ разделения на клиент-сервер (режим ядра-режим пользователя) гораздо скучнее перечисленных выше механизмов. Процессы и потоки могут быть помечены специальными аттрибутами или же мы можем хранить список указателей на потоки/процессы и проверять их в коде. Если вы хоть раз делали авторизацию в веб-приложении, то хорошо понимаете о чём я говорю.

Из чего состоит Windows?

Абстракция или же разбиение на компоненты есть во всех сферах программирования и интуитивно понятно что Windows тоже делится на какие-то компоненты. Под компонентом понимается какая-то единица функциональности — ООП класс, файл, dll, папка. Компоненты на диаграмме ниже могут быть как индивидуальными *.sys, *.dll файлами, так и просто набором API сгруппированным логически через добавление префикса к имени функции, старая часть системы написана на C, а он не поддерживает классы. Новые части пишутся нередко на C++. В укрупнённом виде Винда выглядит так:

Давайте быстренько пробежимся по её компонентам снизу вверх:

Hyper-V Hypervisor — слой виртуализации благодаря которому в Windows можно создать виртуальную машину. Иногда говорят, что Hyper-V это минус первый уровень привилегий, однако реализован он в одном уровне привилегий и адресном пространстве что и ядро ОС, за счёт использования слоёной архитектуры ОС ничего не знает о нём.
HAL.dll — Hardware Abtraction Layer — изначально задумывался как абстракция над железом — чипсет, материнская плата, процессор — для того чтобы можно было перенести Windows на новую платформу реализовав новый HAL.dll, который будет выбран и скопирован во время установки. По сути это драйвер к устройствам материнской платы, к примеру таймерам, контроллеру прерываний. Сейчас его роль снижена, потому как многие драйвера материнки и чип-сета реализованы в ACPI.sys.

Основы работы с операционной системой Windows. Windows – графическая операционная система для компьютеров платформы IBM PC.

Это новый уровень компьютерной технологии, основанный на

объектно-ориентированном подходе к работе с данными.

Основные средства управления – графический манипулятор (мышь или иной аналогичный) и клавиатура.

Особенности ОС Windows:

ü оптимальное управление оперативной памятью большого объема;

ü возможность без проблем подключать новые внешние устройства (Plug and Play);

ü интеграция функций программ (возможность использовать в конкретной программе объекты, созданные средствами другой программы);

ü многозадачность (возможность одновременно выполнять несколько приложений и легко переключаться с одной программы на другую).

Содержимое разработки

Основы работы

с операционной системой

Windows – графическая операционная система для компьютеров платформы IBM PC .

Это новый уровень компьютерной технологии, основанный на

объектно-ориентированном подходе к работе с данными.

Основные средства управления – графический манипулятор (мышь или иной аналогичный) и клавиатура.

Особенности ОС Windows

стандартизация интерфейса пользователя (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);

оптимальное управление оперативной памятью большого объема;

возможность без проблем подключать новые внешние устройства ( Plug and Play );

интеграция функций программ (возможность использовать в конкретной программе объекты, созданные средствами другой программы);

Рабочий стол WINDOWS

Это графическая среда, на которой отображаются:

Панель индикации

Панель задач

Кнопка Пуск

Давыдова Е.В., школа № 444

Объекты Windows

Имя объекта – папки, документа, ярлыка – может содержать до 255 произвольных символов (включая пробелы и русские буквы) плюс расширение.

Папка – это некий контейнер , который может содержать другие папки, программы, документы и ярлыки. Содержимое "контейнера" отображается значками в окне папки. Папка может быть пустой .

Ярлык – указатель на объект: небольшой файл (до 1Кб) с расширением . LNK (для папок и приложений Windows ) или . PIF (для приложений MS DOS ) и содержит просто некую ссылку на представляемый ярлыком объект, своеобразный "адрес" объекта.

Это новый уровень компьютерной технологии, основанный на

объектно-ориентированном подходе к работе с данными.

Основные средства управления – графический манипулятор (мышь или иной аналогичный) и клавиатура.

Особенности ОС Windows:

ü оптимальное управление оперативной памятью большого объема;

ü возможность без проблем подключать новые внешние устройства (Plug and Play);

Содержимое разработки

Основы работы

с операционной системой

Windows – графическая операционная система для компьютеров платформы IBM PC .

Это новый уровень компьютерной технологии, основанный на

объектно-ориентированном подходе к работе с данными.

Основные средства управления – графический манипулятор (мышь или иной аналогичный) и клавиатура.

Особенности ОС Windows

стандартизация интерфейса пользователя (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);

оптимальное управление оперативной памятью большого объема;

возможность без проблем подключать новые внешние устройства ( Plug and Play );

интеграция функций программ (возможность использовать в конкретной программе объекты, созданные средствами другой программы);

Рабочий стол WINDOWS

Это графическая среда, на которой отображаются:

Панель индикации

Панель задач

Кнопка Пуск

Давыдова Е.В., школа № 444

Объекты Windows

Читайте также: