Программные средства реализации
Программные средства реализации информационных процессов
ПЛАН
11.1. Классификация программных средств по отношению к решаемым задачам
11.2. Иерархия программных средств по отношению к аппаратной части ЭВМ
11.3. Операционные системы. Общая характеристика
10.1. Классификация программных средств по отношению к решаемым задачам
Для функционирования компьютера необходима не только аппаратная часть (Hardware), но и программное обеспечение (Software). На мировом рынке, как правило, цена этих двух составных частей компьютера соизмерима. В последнее время имеет место тенденция преобладания стоимости Software. Программное обеспечение (ПО) – это совокупность программ, используемых для решения задач на ЭВМ. Существует довольно много различных классификаций ПО в зависимости от выбранного подхода. Приведем наиболее удачную из них основанную на отношении к решаемым задачам. Обычно программное обеспечение подразделяют на системное и прикладное (Рис. 1).
Системное ПО (system software) предназначено для разработки и выполнения программ, а также для предоставлению пользователю некоторых средств общего назначения для управления ЭВМ. Системное ПО – необходимое дополнение к аппаратной части ЭВМ.
Сюда можно отнести, прежде всего BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода), выполняемую обычно в виде программируемой микросхемы (пожалуй ближе к аппаратной части). Но основное место в системном ПО занимают операционные системы (ОС). Операционная система – это неотъемлемая часть ЭВМ, которая служит для управления ЭВМ и организации выполнения прикладных программ (четкое определение ОС см.на предыдущей лекции). К ОС можно отнести: MS DOS, Windows, PS/2, Unix и т.п.
Рекомендуемые материалы
Сервисные системы расширяют возможности операционной системы. (DOS-Shell или Norton, Volkov Commander или Far для DOS и Windows, Norton Utilities for Windows, многочисленные оболочки для UNIX-семейства и т.п.).
Прикладное ПО (application software) предназначено для решения определённой задачи или класса задач. Задачей прикладного ПО является автоматизация конкретного вида человеческой деятельности.
Инструментальные системы предназначены для решения задач, которые встречаются в составе любой проблемы, ориентированной на применение ЭВМ, и не связаны с конкретной практической областью.
Системы техобслуживания используются для облегчения тестирования оборудования ЭВМ и применяются специалистами по аппаратуре ЭВМ.
Более подробно о классификации ПО во втором семестре.
Рис. 1. Классификация программного обеспечения
10.2. Иерархия программных средств по отношению к аппаратной части ЭВМ
Все программные средства по отношению к Hardware можно разделить на внутреннее и внешнее ПО (Рис. 2).
Программы первого уровня хранятся в ПЗУ и работают непосредственно с аппаратурой ЭВМ. Таким образом, все подобные программы являются неотъемлемой частью конкретной ЭВМ. Поэтому набор таких программ называют внутренним программным обеспечением – BIOS (см.выше). В состав BIOS входят:
- драйверы стандартных внешних устройств;
- тестовые программы для контроля работоспособности оборудования;
- программа начальной загрузки.
Все эти программы начинают работать при включении ЭВМ: сначала тестируют память, затем проверяют наличие внешних устройств и их работоспособность и после положительного завершения всего этого передают управление операционной системе. В отрицательном случае выдаются соответствующие сигналы, и ОС не грузится.
Рис. 2. Иерархия программных средств.
Драйвер (driver) – программа, обслуживающая внешнее устройство. Она предоставляет пользователю или программам более высокого уровня набор функций – программный интерфейс – для управления конкретным внешним устройством. Кроме того, драйвер обрабатывает прерывания от обслуживаемого устройства.
Второй уровень принадлежит операционным системам. В состав операционной системы обычно также входят дополнительные драйверы, которые обеспечивают работу с внешними устройствами, не известными внутренним драйверам. ОС предоставляет программам более высокого уровня набор функций (программный интерфейс), а пользователям – набор утилит и некоторые инструментальные программы (пользовательский интерфейс).
К третьему уровню относятся все остальные программы.
Программы второго и третьего уровней хранятся в файлах.
Программное обеспечение первого уровня является машинно-зависимым (computer-independent). То есть для каждого микропроцессора или семейства ЭВМ набор данных программ уникален.
Операционная система имеет машинно-зависимое ядро (kernel) – небольшой набор программ, с помощью которых осуществляется более эффективное управление ЭВМ конкретного типа (семейство ЭВМ, тип процессора, конкретные аппаратные компоненты ЭВМ и внешние устройства). Остальные программы операционной системы стараются делать максимально независимыми от конкретной ЭВМ. Свойство программы, позволяющее переносить её без переделок с одной ЭВМ на другую, называется переносимостью (portability). Если программа является машинно-зависимой, то её переносимость определяется степенью совместимости ЭВМ. Переносимость программ имеет прямое влияние на коммерческие возможности программных продуктов.
10.3. Операционные системы. Общая характеристика
Операционная система (operating system) – это комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами ЭВМ и процессами, которые используют эти ресурсы при вычислениях.
Ресурс – это любой логический или аппаратный компонент ЭВМ. Основными ресурсами являются процессорное время и оперативная память. Ресурсы могут принадлежать одной или нескольким внешним ЭВМ, к которым операционная система обращается, используя вычислительную сеть. Процесс – это последовательность действий, предписанных программой.
Управление ресурсом состоит из двух функций:
- упрощение доступа к ресурсу;
- распределение ресурсов между конкурирующими за них процессами.
Для решения первой задачи операционные системы поддерживают пользовательский и программный интерфейсы. Для решения второй операционные системы используют различные алгоритмы управления виртуальной памятью и процессором.
Операционные системы характеризуются признаками:
- количество пользователей, одновременно обслуживаемых системой (однопользовательские и многопользовательские);
- число одновременно выполняемых процессов (однозадачные и многозадачные);
- тип используемой вычислительной системы (однопроцессорные, многопроцессорные, сетевые, распределённые).
Например, ОС Windows является многозадачной, ОС Linux – многопользовательской, MS-DOS однозадачной и, следовательно, однопользовательской. Операционные системы Windows NT и выше и Linux могут поддерживать многопроцессорные ЭВМ. Операционная система Novell NetWare является сетевой, однако, встроенные сетевые средства имеют также Windows NT и Linux и т.п.
Пользовательский и программный интерфейсы
Для упрощения доступа к ресурсам ЭВМ ОС поддерживают пользовательский и программный интерфейсы (Рис. 3).
Пользовательский интерфейс (user interface) – это набор команд и сервисных услуг, которые упрощают пользователю работу с ЭВМ.
Рис. 3. Интерфейсы операционной системы.
Программный интерфейс (program interface) – это набор процедур, которые упрощают для программиста управление ЭВМ.
Например, ОС Windows предоставляет пользователю графический интерфейс GUI (Graphic user interface), который представляет собой (с точки зрения пользователя) набор правил для наглядного управления ЭВМ. Кроме графического интерфейса пользователю предоставляется также командный интерфейс, то есть набор команд определённого формата. Для этого в системном меню имеется пункт «Выполнить». Например, чтобы скопировать файл на дискету, нужно набрать (см. лабраб.№1): copy file a: и т.п.
Т.к. ОС Windows разрабатывалась для широкого круга пользователей, основной упор сделан на интуитивном графическом интерфейсе. В ОС Linux также имеются две возможности для управления ЭВМ, но, как правило, предпочтение отдаётся командам.
Набор системных функций в Windows носит название API (Application Programming Interface). В этом наборе имеются более тысячи процедур для решения разных системных задач. Например, если в программе на языке Си написать: MessageBox (wnd, “Форматирование винчестера, вы уверены?”,” ”, MB_OK); то, дойдя до этого места, программа высветит небольшое окно с данным сообщением и кнопкой ОК и будет ожидать нажатия этой кнопки.
Процессорное время и организация памяти
Для организации многозадачного режима ОС должна некоторым образом распределять ресурсы ЭВМ (время работы процессора и память) между одновременно работающими программами. Обычно используется так называемый вытесняющий режим многозадачной работы (Windows), когда каждая программа непрерывно работает в течение строго определённого небольшого кванта времени, по истечении которого процессор переключается на другую программу. При достаточной производительности процессора создаётся иллюзия одновременной работы всех программ.
Одной из главных задач ОС является управление памятью. Когда основной памяти не хватает, все используемые данные, записываются в особый файл подкачки. Память, представленная файлом подкачки, называется внешней страничной памятью (external page storage). Совокупность основной и внешней страничной памяти называется виртуальной памятью (virtual memory). Однако для программиста виртуальная память выглядит как единое целое. В этом случае говорят, что используется линейная адресация памяти.
Например, ОС Windows и Linux используют линейную адресацию виртуальной памяти. В ОС MS-DOS использовалась нелинейная адресация основной памяти, которую приходилось учитывать при программировании. Файлы подкачки MS-DOS не поддерживались.
Структура операционной системы
Современные операционные системы, как правило, имеют многоуровневое строение ( Рис. 4).
Непосредственно с аппаратурой работает ядро операционной системы. Ядро (kernel) – это программа или совокупность связанных программ, которые используют аппаратные особенности ЭВМ. Таким образом, ядро является машинно-зависимой частью операционной системы.
 |
Рис. 4. Уровни операционной системы Linux.
Ядро определяет программный интерфейс. На втором уровне находятся стандартные программы ОС и оболочка, которые работают с ядром и предоставляют пользовательский интерфейс. Программы второго уровня стараются делать машинно-независимыми. В идеале замена ядра равнозначна замене версии операционной системы.
Файловая система
Любые данные хранятся во внешней памяти ЭВМ в виде файлов. Файлами нужно управлять: создавать, удалять, копировать, изменять и др. Такие средства пользователю в виде пользовательского и программного интерфейсов предоставляет операционная система. Способ организации файлов и управления ими называется файловой системой (file system). Файловая система определяет, например, какие символы могут использоваться для имени файла, каков максимальный размер файла, каково имя корневого каталога и др. Способ организации файлов влияет на скорость доступа к нужному файлу, на безопасность хранения файлов и др.
Одна и та же ОС может работать одновременно с несколькими файловыми системами. Как правило, функции файловой системы реализуются средствами ядра ОС.
Например, для ПЭВМ используется несколько видов файловых систем:
FAT16 (File Allocation Table) – используется в ОС Windows95, OS2, MS-DOS;
FAT32 и VFAT (Virtual FAT) – используется в ОС Windows95 и выше;
NTFS (NT File System)– используется в ОС Windows NT, возможна в Windows98 и выше;
HPFS (High Performance File System)– используется в ОС OS2;
Linux Native, Linux Swap – используются в ОС Linux.
Файловая система FAT наиболее просто устроена. Имя корневого каталога имеет всегда вид: А:, В:, С: и т.д. Имя файла состоит из трёх частей: путь, собственно имя, расширение.
Путь (path) – это имя каталога, в котором файл расположен. Расширение (extension) указывает на тип файла. Например, полное имя файла C:WindowsSystemgdi.exe, путь - C:WindowsSystem, расширение – exe, собственно имя - gdi.
Согласно правилам FAT собственно имя файла может содержать до 8 символов, а расширение имени, отделяемое от имени точкой – до 3-х. При именовании файлов прописные и строчные буквы не различаются. Полное имя файла включает в себя наименование логического устройства, на котором находится файл и имя каталога, в котором файл расположен. Система хранит информацию о размере файла и дате его создания.
По организации данных VFAT напоминает FAT. Однако она позволяет использовать длинные имена файлов: имена до 255 символов, полные имена до 260. Система позволяет хранить также дату последнего доступа к файлу, что создаёт дополнительные возможности для борьбы с вирусами.
Файловая система может быть реализована в виде драйвера, с которым через операционную систему общаются все программы, читающие или записывающие информацию на внешние устройства.
Файловая система может включать в себя средства безопасности хранения информации. Например, файловая система NTFS имеет средства автоматического исправления ошибок и замены дефектных секторов. Специальный механизм отслеживает и фиксирует все действия, выполняемые над магнитными дисками, поэтому в случае сбоя целостность информации восстанавливается автоматически. Кроме этого, файловая система может иметь средства защиты информации от несанкционированного доступа.
Защита информации
Защита информации – это очень большая проблема. В рамках работы ОС под защитой информации подразумевается в основном обеспечение целостности информации и защита от несанкционированного доступа. Обеспечение целостности возлагается в основном на файловую систему, а защита от несанкционированного доступа – на ядро. Обычным механизмом такой защиты является использование паролей и уровней привилегий. Для каждого пользователя определяются границы доступа к файлам и приоритетность его программ. Наивысший приоритет имеет системный администратор. Подробнее во 2 семестре.
Сетевые средства и распределённые системы
Составной частью современных операционных систем являются средства, которые позволяют связываться через вычислительную сеть с приложениями, работающими на других ЭВМ. Для этого операционная система решает в основном две задачи: обеспечение доступа к файлам на удалённых ЭВМ и возможность запуска программы на удалённой ЭВМ.
Первая задача наиболее естественно решается с помощью использования так называемой сетевой файловой системы (network file system – NFS), которая организует работу пользователя с удалёнными файлами так, как будто эти файлы находятся на магнитном диске самого пользователя.
Рекомендация для Вас - Архитектура компьютерных сетей.
Вторая задача решается с помощью механизма вызова удалённой процедуры (remote procedure call — RPC), который реализуется средствами ядра и также скрывает от пользователя разницу между локальными и удалёнными программами.
Наличие средств для управления ресурсами удалённых ЭВМ, является основой для создания распределённых вычислительных систем. Распределённая вычислительная система (distributed computer system) – это совокупность нескольких связанных ЭВМ, работающих независимо, но выполняющих общее задание. Такую систему можно рассматривать как многопроцессорную.
Модель «клиент-сервер»
Важной особенностью современных операционных систем является то, что в основу взаимодействия прикладной программы и операционной системы заложена модель «клиент-сервер». Все обращения пользовательской программы (клиента) к операционной системе обрабатываются специальной программой (сервером). При этом используется механизм, аналогичный вызову удаленной процедуры, что позволяет легко перейти от взаимодействия между процессами в пределах одной ЭВМ к распределенной системе.
Технология «plug and play ».
Под технологией «plug and play» (PnP-технология) понимается способ взаимодействия между операционной системой и внешними устройствами. Операционная система проводит опрос всех периферийных устройств и должна получить от каждого устройства определённый ответ, из которого можно определить, какое устройство подключено и какой драйвер требуется для его нормальной работы. Цель использования данной технологии заключается в упрощении подключения новых внешних устройств. Пользователь должен быть избавлен от сложной работы по настройке внешнего устройства, требующей высокой квалификации.
