Тема 3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Тема 3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Структура программного обеспечения

   

Общие сведения об операционных системах.

Вычислительная система в целом состоит из трех основных элементов: компь­ютера, программного обеспечения и пользо­вателя. Операционная сис­тема представ­ляет собой комплекс программ, который объединяет эти эле­менты в единую сис­тему, обеспечивая их взаимодействие. ОС решает сле­дующие основные задачи:

· управление вычислительным процессом;

· управление устройствами компьютера;

· управление размещением и доступом к папкам и файлам на диске.

Средства, обес­печивающие взаимодействие между элементами компью­терной системы, называют интерфейсом. В вычислительной системе реали­зуется несколько видов интерфейсов:

· аппаратный интерфейс (обеспечивает взаимодействие между различ­ными уз­лами компью­тера);

· программный интерфейс (обеспечивает взаимодействие между про­грам­мами, выполняе­мыми компьютером);

· аппаратно-программный интерфейс (обеспечивает взаимодействие ме­жду уз­лами компью­тера, аппаратурой и выполняемыми программами);

· интерфейс пользователя (обеспечивает взаимодействие пользователя с аппа­ратно-программ­ным комплексом).

Согласование между программным и аппаратным обеспечением, а также между компьютером и пользователем ор­ганизует и осуществляет операцион­ная система.

Развитие компьютеров привело к появ­лению огромного количества раз­личных ОС. На верхнем уровне находятся ОС для мэйнфреймов (они отли­чаются от ПК своими возможностям ввода/вывода, объемом дисковой па­мяти и др.). Мэйн­фреймы высту­пают в виде мощных web-серверов и серве­ров крупных компаний. ОС дня них в основном ориентированы на обработку множества одновременных зада­ний, большинству из которых требуется ог­ромное количество операций ввода-вы­вода. Обычно они выполняют три вида операций; па­кетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. При пакетной обработке выполняются стандартные задания пользователей, работающих и интерактивном режиме. Системы об­работки транзакций управляют очень большим количе­ством за­просов (на­пример бронирование авиабилетов). Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни и тысячи запросов в секунду. Системы, ра­бо­тающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользо­ва­телей од­новременно выполнять свои задания на одной машине, на­пример, рабо­тать с большой базой данных. Все эти функции тесно связаны между собой, и опе­раци­онная система мэйнфрейма выполняет их все. При­мером операционной сис­темы для мэйнфрейма является OS/390.

Уровнем ниже находятся серверные ОС. Серверы представляют собой или многопроцессорные компьютеры, или даже мэйнфреймы. Эти ОС одно­временно об­служивают множество пользователей и по­зволяют им делить между собой про­граммно-аппаратные ресурсы. Серверы также предостав­ляют возможность ра­боты с различными устройствами, файлами или Internet. У Internet-провайдеров обычно ра­ботают несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновре­мен­ный доступ к сети множества клиентов. На серве­рах хранятся страницы web-сайтов и обрабаты­ваются входящие запросы. UNIX и Windows 2000 являются ти­пичными серверными ОС.

Следующую категорию составляют ОС для персональ­ных компью­те­ров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфей­са для од­ного пользова­теля. Такие системы широко используются в повседневной ра­боте. Основными ОС в этой категории являются операционные системы плат­формы Windows, Linux и опе­рационная система компьютера Macintosh.

Еще один вид ОС - это системы реального времени(главным па­рамет­ром та­ких систем является время). Например, в системах управ­ления про­изводством ком­пьютеры, работающие в режиме реального времени, соби­рают данные о промыш­ленном процессе и используют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Если, например, по кон­вейеру передвигается автомобиль, то каждое действие должно быть осуществ­лено в строго определенный момент времени. Системы VxWorks и QNX яв­ляются операци­онными системами ре­ального времени.

Встроенные операционные системы используются в карманных ком­пьютерах и бытовой технике (выполняют не­большой набор функций). При­мерами таких опе­рационных систем являются PalmOS и Windows CE (Con­sumer Electronics - бытовая техника).

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, пред­став­ляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержа­щих цен­тральный процессор. На такие операционные системы накладыва­ются очень же­сткие ограни­чения по мощно­сти процессора и памяти. Некото­рые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции.

Для операционных систем существует набор базовых понятий, такие как про­цесс, память и файл. Ключевое понятие – процесс. Процессом называют программу в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное простран­ство – список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести инфор­мацию и прочесть ее. Управление ад­ресным пространством процес­сов – важ­ная функция опера­ционной системы. Кроме того, операционная система управляет созданием, удале­нием, чтением и сохране­нием файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно разместить на диске и от­крыть, а после про­чтения его нужно закрыть. Все эти функ­ции осуществляют сис­темные вы­зовы. При создании места для хранения фай­лов ОС использует понятие ката­лога как способ объедине­ния файлов в группы. Ие­рархии процессов и файлов организованы в виде деревьев. Каждый файл в иерархии ката­логов можно опреде­лить, задав его имя пути, назы­ваемое также полным именем файла. Путь начина­ется из вершины структуры ката­логов, называемой корневым ка­талогом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделе­нием отдельных ком­по­нентов.

Модель процесса базируется на двух независимых концепциях: группи­ровании ресурсов и выполнении программы. Когда их разделяют, появляется понятие потока. С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родствен­ных ресурсов в одну группу (у процесса есть адресное пространство, содержащее программу, данные и другие ре­сурсы: откры­тые файлы, дочерние процессы, ава­рийные необработанные сообщения, об­работчики сигналов, учет­ная информация и многое другое). Гораздо проще управлять ресурса­ми, объе­динив их в форме про­цесса. С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток ис­полняемых ко­манд (у потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения дейст­вий; реги­стры, в которых хра­нятся текущие переменные; стек, со­держащий про­то­кол выполнения процесса). Хотя поток протекает внутри процесса, сле­дует разли­чать концепции потока и процесса. Процессы использу­ются для груп­пирования ре­сурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняю­щимися на ЦП. Кон­цепция потоков добавляет к модели процесса возмож­ность одновременного выпол­нения в одной и той же среде процесса не­сколь­ких достаточно независимых про­грамм. Несколько потоков, работающих па­раллельно в одном процессе, анало­гичны нескольким процессам, идущим па­раллельно на одном компьютере. В первом слу­чае потоки разделяют адрес­ное пространство, открытые файлы и другие ре­сурсы. Во втором - процессы совместно пользуются физи­ческой памятью, дисками, принте­рами и другими ресурсами.

Итак, операционные системы различаются по:

· количеству одновременно работающих пользователей (одно­пользова­тель­ские и многопользовательские ОС, при этом отличие вторых от первых заключается в наличии средств защиты информации каждого пользова­теля от несанкциони­ро­ванного доступа других пользова­телей);

· числу задач, одновременно выполняемых под управлени­ем ОС (однозадач­ные и многозадачные, в последнем режиме каждой задаче по­очередно выделяется ка­кая-то доля процессорного времени);

· типу пользовательского интерфейса (текстового и графического: первые предос­тавляют пользователю интерфейс командной стро­ки, во вторых в каче­стве органа управления, кроме клавиатуры, может использоваться устройство пози­ционирования);

· способу использования аппаратных и программных ре­сурсов (локальные и се­тевые ОС, последние предназначены для эффек­тивного решения задач распре­деленной обработки данных и делятся на одноранговые ОС и ОС с выделенными серверами);

· количеству используемых в компьютере процессоров и разрядности процес­сора (одно- и многопроцессорные, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные).

Как правило, операционная система содержит в себе следую­щие компо­ненты: ядро, файловую систему, диспетчер задач(или планировщик задач), драйверы устройств и различные сервис­ный программы (упрощающие обслуживание, на­ладку и оптимизацию работы внешних устройств).

Ядрооперационной системы состоит из BIOS(basic input/output system) - базо­вой системы ввода/вывода (обеспечивает: автоматическое тести­рование основных ап­паратных компо­нентов при включе­нии машины, вызов блока начальной загрузки DOS, обслуживание системных вызовов или преры­ваний); ВIO.СОМ - модуля рас­ширения базовой системы ввода-вывода (дает возможность включения в со­став ОС допол­нитель­ных подпрограмм, обслуживающих новые внешние уст­рой­ства); DOS.COM - модуля обра­ботки прерываний (его компонентами являются подпрограммы, обеспечи­вающие работу файловой системы, устройств, обслужи­ва­ние некоторых специальных ситуаций, связанных с заверше­нием программ, их ис­кусствен­ным прерыванием и обработкой ошибок); COMMAND.COM - команд­ного процессора (представляющего собой программу, осуществляющую перевод команд с языка программирования на язык машинных кодов; его основная функция заключается в приеме, анализе и исполнении команд пользователя, обращенных к DOS, и в обработке командных файлов).

В архитектуре ПЭВМ базовую систему ввода-вывода (BIOS) можно рассмат­ривать, с одной стороны, как составную часть ап­паратных средств, с другой сто­роны - BIOS является одним из программ­ных мо­дулей дисковой операци­онной сис­темы. BIOS находится не на дисках, как все ос­тальные мо­дули, а в ПЗУ, которое установлено внутри системного блока.

Операционным системам приходится работать с большими объемами программ и данных. Управление ими организует файловая система (сис­тема управления дан­ными), которая включает в себя программы дос­тупа к магнитным носителям и спе­циальные таблицы, в которых хранится служеб­ная информа­ция (о том, на какие части разбит диск, где на диске распола­гаются файлы и т.д.). В процессе подго­товки магнитного диска к записи (форматирования) производится его разметка. За­пись осуществляется по до­рожкам (трекам), причем ка­ждая дорожка раз­бивается на сек­торы размером по 512 байт (один или несколько смежных секторов дорожки со­став­ляют кластер).

В процессе форматирования на диске выделяется системная об­ласть, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора (размещается на каж­дом диске в логическом секторе с номером 0), таб­лицы размещения файлов - сокра­щенно FAT - располагается по­сле загрузочного сектора и со­дер­жит описа­ние порядка расположения всех файлов в секторах дан­ного диска (а также инфор­ма­цию о дефектных участках дис­ка). За FAT-табли­цей следует ее точная копия, что повы­шает на­дежность сохранения этой очень важ­ной таблицы (начиная с опера­ционной системы Windows 98 исполь­зуется FAT32 с 32-разрядными полями в таб­лице раз­мещения файлов) и корневого ката­лога (все­гда находится за копией FAT) - в нем содержится перечень файлов и дирек­торий, на­ходящихся на диске. Не­посред­ст­венно за корневым ка­талогом располага­ются дан­ные, организованные в файлы. Фай­ловая сис­тема (часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хра­нение данных на диске и доступ к ним) во многом определяет скорость и эф­фектив­ность работы магнитных носителей, надеж­ность и секретность хране­ния информации на них. От нее требуется четкое выпол­нение следующих действий:

· определение физического расположения частей файла;

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

Файл - это поиме­нованная область на диске или дру­гом носителе ин­формации (точ­нее, файл - логи­чески связанная совокупность дан­ных или программ, для раз­меще­ния которой во внешней памяти выделяется имено­ванная об­ласть). Пользова­тель во время работы с компьютером имеет дело не с битами или байтами (и даже не с сек­торами и кла­стерами), а с фай­лами, ко­торые можно «за­пускать», «просматри­вать», «ре­дактиро­вать», «пе­реимено­вывать», «перено­сить», «копи­ровать», «удалять». Заметим, что файлы объе­диня­ются в осо­бые струк­туры, ко­торые носят название «папки» (каталоги, ди­ректории). На диске файл не требует для своего размещения непрерывного про­странства, обычно он за­нимает свободные кластеры в раз­ных час­тях диска (све­дения о номерах класте­ров хра­нятся в FAT-таб­лице).

В фай­лах могут храниться разнооб­раз­ные виды и формы представ­ления ин­формации (тексты, рисунки, программы, таб­лицы и т.д.). Для ха­рактери­стики файла исполь­зуются следующие параметры: ос­новное имя файла; объем файла в байтах; дата и время создания файла; специаль­ные атрибуты (только для чтения, системный, скрытый архивированный). Каждый файл имеет свое индиви­дуальное имя, состоя­щее из двух частей: собственно имя (назва­ние) и иден­тифика­тор, опре­деляющий его тип (называемый расшире­нием: exe, com – «ис­пол­няемый», хранящий в себе про­грамму файл; txt, doc – текстовый файл; hlp – файл справки; bmp – гра­фическая ин­формация и др.). Полное имя файла (при обра­щении к нему) имеет сле­дующий вид: [диско­вод:] [путь] имя файла. Путь - это це­почка соподчи­ненных каталогов (па­пок), которую необходимо пройти по иерар­хи­ческой струк­туре к ка­талогу, где за­регистрирован искомый файл.

В MS-DOS, например, имя файла может содержать от 1 до 8 символов и рас­ширение от 0 до 3 символов. В некоторых ОС, например в UNIX, расши­рения фай­лов являются просто соглашениями, и ОС не заставляет пользова­теля их строго придерживаться. Сис­тема Windows, напротив, знает о расши­рениях файлов и на­зна­чает ка­ждому расши­рению определенное значение. Пользователи или процессы мо­гут ре­гистрировать расширения в ОС, указы­вая програм­му, создающую данное расшире­ние. При двой­ном щелчке мы­шью на имени файла запускается программа, назна­ченная этому расшире­нию, с именем файла в качестве параметра. Например, двой­ной щел­чок мы­шью на имени file.doc запускает MS Word, который открыва­ет этот файл.

Файловая система скрывает от программистов картину реального распо­ложения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость про­грамм от особен­ностей конкретной конфигурации ЭВМ (или, как еще гово­рят, логический уровень работы с файлами). Наиболее распространенным видом файлов являются файлы с последовательной структурой (такого рода файлы можно рассматривать как набор составных элементов, назы­ваемых логическими записями или блоками, длина кото­рых может быть как фиксированной, так и переменной, и доступ к кото­рым - после­дователь­ный). В ряде файловых систем предусматривается использова­ние более сложных логических структур файлов, чем последовательная. Например, за­писи в файле могут образовывать древовидные структуры, может использо­ваться ин­дексно-последовательная организация файлов (с упорядочением записей по значе­нию некоторых полей) или, так называемая, библиотечная структура фай­лов (ис­пользующая уровень учетной информации или ката­лога, облегчающей поиск и дос­туп к отдельным компонентам файлов).

Роль учетного механизма, позволяющего обслуживать десятки и сотни файлов, в файловой системе очень важна. Общим приемом является сведение учетной ин­формации о расположении файлов на магнитном диске в одно ме­сто - его каталог (директорий, папку), который представляет собой список элементов, характеризую­щих конкретный файл (имя файла, его тип, ме­сто­положение на диске, длину). В простых операционных системах местополо­жение каталога на маг­нитном диске (дискете) и его размер фиксированы. В более сложных системах ката­лог мо­жет на­ходиться в любом месте диска, но на него должна иметься ссылка в, так назы­ваемой, метке тома, находящейся в фиксирован­ном месте и формируемой при ини­циализа­ции диска.

Кроме ядра и файловой системы ОС содержит в себе:

Диспетчер задач (или планировщик задач), обеспечивает за­пуск различ­ных за­даний и распределение между ними ресурсов компьютера.

Драйверы устройств - специальные программы, управляю­щие работой уст­ройств компьютера (помимо стандартных, т.е. внутренних драйверов существуют и загружае­мые - внешние драй­веры в виде исполняемых файлов, главное назначение послед­них - обслуживание дополнительного или нестан­дартного оборудования, уста­новлен­ного на ПЭВМ).

Утилиты - это различные сервисные программы, упрощаю­щие обслу­живание, на­ладку и оптимизацию работы внешних устройств или оптимизи­рующие работу са­мой ОС.

В функции операционной системы входит:

· осуществление диалога с пользователем;

· ввод-вывод и управление данными;

· планирование и организация процесса обработки программ;

· распределение ресурсов (оперативной и Кэш-памяти, процессора, внеш­них уст­ройств);

· запуск программ на выполнение;

· всевозможные вспомогательные операции обслуживания;

· передача информации между различными внутренними устройствами;

· программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиа­туры, дисковых накопителей, принтера и др.).

Операционную систему можно назвать программным продолжением устрой­ства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппарату­рой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобожда­ются от очень трудоёмкой работы по ор­ганизации взаимодействия с аппара­турой компьютера.

Каждая операционная система имеет свой командный язык, который по­зволяет пользователю выполнять те или иные действия (запускать про­граммы, обращаться к каталогу, выполнять разметку внешних носителей и многое другое).

Команды пользователя (например, команды DOS), служат основным средством общения пользователя с ОС до тех пор, пока не будет вызвана ка­кая-либо прикладная програм­ма (задача), или «надстройка». Ко­манды DOS позволяют гото­вить диски для работы, копировать файлы, пере­именовывать их, удалять из катало­гов, сменять текущий каталог и текущий нако­питель, изменять режим работы дис­плея, выводить содержимое тексто­вых файлов на экран дисплея, на принтер или в коммуни­кационный канал.

Анализ и исполнение команд пользователя (включая загрузку готовых про­грамм из файлов в оперативную память и их запуск) осуществляет ко­мандный про­цессор операционной системы. Команды вводятся с клавиатуры, их ввод заверша­ется нажа­тием клавиши <ВВОД> (<ENTER>). Общие ко­манды MS DOS делятся на группы:

· команды работы с дисками;

· команды работы с файлами;

· команды работы с каталогами;

· команды управления системой.

Основные из них: copy – копирование файлов, del – удаление файлов, ren – пе­реименование файлов, move – перемещение файлов, cd – изменение те­кущего ка­та­лога, dir– просмотр каталога, md – создание каталога, rd – унич­тожение ката­лога. Обычно для выполнения команды указыва­ются: ко­манда, путь, имя файла.

Операционные системы семейства Microsoft Windows

· возможность запуска одновременно нескольких программ, более того - не­скольких экземпляров одной и той же программы; · единый способ взаимодействия пользователя со всеми Windows-приложе­ниями… · поддержка графического режима работы с возможностью вывода различ­ных условных изображений (значков, пиктограмм); …

Основы взаимодействия пользователя с ОС Windows

Пиктограмма представляет собой графиче­скую миниатюру, соответст­вующую папке или файлу. Чаще всего на поверхности Рабочего стола нахо­дятся… Окно - один из ос­новных элементов Windows (не зря же в его честь на­звали всю… В нижней части рабочего стола находится Панель задач (представляет собой полосу относи­тельно небольшой ширины). На…

Технологии Windows

· интерфейс пользователя; · конкретные операции в предметной области (например, создание простых и… В первые годы эксплуатации персональные компьютеры в основном были оснащены операционной системой МS DOS, для которой…