Родина

3. Программное обеспечение общего назначения

3.1. Операционные системы Windows

Основные понятия

Современные вычислительные системы (ВС) представляют собой с точки зрения их пользователя комплекс «Аппаратура + Программное обеспечение». Компьютер с традиционной архитектурой работает, выполняя действия в соответствии с программой, загруженной в его память. Все задачи, решаемые с помощью ВС, требуют запуска и выполнения реализующих их программ.

Программа — это последовательность инструкций (команд), описывающая алгоритм, или процедуру, решения с помощью компьютера соответствующей задачи, для реализации которой эта программа была разработана. Для разработки программ используются специальные языки. Программа может содержать инструкции, написанные на языках программирования высокого уровня, которые позволяют записать алгоритмы в удобной для понимания человеком форме, приближенной к естественным языкам, или последовательность машинных команд (инструкций, «понятных» компьютеру, на котором данная программа должна выполняться).

Готовыми к выполнению являются только программы, содержащие инструкции в двоичном машинном коде, — программы на языке конкретного компьютера (компьютера с процессором определенной модели или семейства), только такие программы можно загрузить в память компьютера для выполнения. Таким образом, программы в машинном коде не являются «переносимыми», их можно выполнять только на компьютерах с общей архитектурой, системой команд, поддерживаемой этими компьютерами, т.е. одинаковым машинным языком.

Такие программы, которые могут самостоятельно запускаться для решения соответствующих задач, называют еще приложениями.

Исходный код программы на языке программирования создает программист, используя при этом имеющиеся в его распоряжении средства разработки.

Все программы хранятся в файлах на дисках компьютера. Тип файла определяет способ записи программы в нем. При загрузке программы в память на выполнение она считывается из файла и записывается в выделенную ей для выполнения оперативную память с помощью специальной программы загрузки, так как процессор может прочитать и выполнить только команды, находящиеся в оперативной памяти компьютера.

Таким образом, кроме программ, решающих задачи пользователя, существуют и программы, выполняющие вспомогательные, обслуживающие функции, позволяющие повысить эффективность и снизить трудоемкость работы.

Программным обеспечением ВС (ПО, software) называют совокупность программ, предназначенных для подготовки и решения задач пользователями, а также описаний и инструкций по их применению, позволяющих использовать ВС как универсальную систему для ввода, хранения, обработки данных, обмена информацией.

К программному обеспечению относятся также библиотеки, используемые для разработки других программ или при их выполнении (файлы библиотек имеют обычно расширения LIB или DLL). Такие программные файлы называют компонентами приложений, так как содержащиеся в них программы не загружаются на выполнение самостоятельно, а подключаются при выполнении к другим программам-приложениям.

Программное обеспечение является необходимым дополнением к техническим средствам ВС, обеспечивающим общую эффективную работу системы. Назначение программного обеспечения состоит в упрощении технической эксплуатации, увеличении эффективности и снижении трудоемкости труда пользователей.

Классификация программного обеспечения

Все программы, устанавливаемые (инсталлируемые) на компьютерах, делятся на несколько классов в зависимости от решаемых с их помощью задач и функций, которые они выполняют. Программное обеспечение принято делить на две основные группы: прикладное и системное ПО.

Системное программное обеспечение (СПО) — это часть ПО, обеспечивающая автоматизацию трудоемких технологических этапов разработки алгоритмов и программ, организацию вычислительного процесса и контроль за его ходом независимо от конкретных решаемых задач.

Системные программы выполняют общие функции по организации работы ВС, помогают разрабатывать другие программы. Они реализуют вспомогательные обслуживающие функции. Применение СПО не связано с конкретной областью использования ВС. Системные программы предназначены для обеспечения функционирования собственно ВС.

Все компоненты, входящие в состав системного ПО, по характеру их использования и выполняемым функциям также делят на несколько групп. Все выполняемые системными программами функции можно разделить на три большие группы: функции контроля и диагностики оборудования; функции автоматизации управления вычислительным процессом и функции автоматизации процесса разработки программ.

Операционные системы: определение и функции

Автоматизация управления вычислительным процессом предусматривает минимизацию вмешательства человека в ход вычислительного процесса, чтобы повысить его эффективность (человек работает слишком медленно). Функция организации эффективной работы аппаратуры и программного обеспечения в соответствии с заданным режимом, директивами программиста, сопровождающими программы, и указаниями пользователя — это функция операционных систем.

Операционные системы (ОС) представляют собой ядро системного программного обеспечения. Операционные системы определяют обычно как супервизорные, или мониторные, т.е. управляющие системы. Эти системы представляют собой средство, обеспечивающее эффективную работу ВС через автоматизацию процесса выполнения программ, распределения необходимых им для выполнения ресурсов, доступа к ресурсам, организации их взаимодействия. Таким образом, основные функции ОС можно определить следующим образом:

• управление процессами (программами во время выполнения);
• управление ресурсами, выделяемыми программам для выполнения;
• управление данными;
• организация интерфейса с пользователем.

Кроме того, в состав ОС включают вспомогательные обслуживающие программы, называемые утилитами. Эти служебные программы реализуют обслуживающие функции, обеспечивающие более эффективное выполнение основных функций ОС (установки нового оборудования и программ, функции проверки работоспособности системы и восстановления после сбоев и т.п.).

Классификация ОС

Операционные системы ориентированы на работу в различных условиях, реализуют свои функции по-разному, предоставляют пользователям разный уровень сервиса. В зависимости от режима работы ОС, от способов реализации основных ее функций операционные системы можно разбить на следующие классы:

• по количеству программ, которые одновременно могут выполняться на ВС, работающей под управлением ОС, различают два класса операционных систем:
  • однопрограммные (в каждый момент времени на ВС выполняется только одна программа — например, MS-DOS) и
  • и много-, или мультипрограммные ВС (на ВС параллельно во времени могут выполняться несколько программ — все операционные системы Windows (Microsoft), OS/2 (IBM), UNIX и пр. );
• по количеству пользователей, которые одновременно могут работать на ВС, различают:
  • однопользовательские (ОС обеспечивает возможность работы только одного пользователя) и
  • многопользовательские (на ВС могут одновременно работать несколько пользователей, каждый из которых выполняет собственные программы во взаимодействии или независимо от других пользователей);
• по режимам работы различают
  • ОС пакетного режима (задается последовательность и условия выполнения программ (пакет) и система автоматически переходит от выполнения одной программы пакета к другой; таким образом, ВС работает полностью автоматически, «самостоятельно»);
  • интерактивные ОС (реализуют диалоговый режим работы пользователя, обеспечивая приемлемое время реакции системы на запросы пользователя);
  • ОС реального времени (обеспечивают отклик системы в течение ограниченного интервала времени; ответ, полученный позднее считается неверным, что равносильно его отсутствию вообще).

В однопрограммных ОС все ресурсы ВС отдаются в распоряжение единственной загруженной на выполнение программы. Поэтому эти ОС являются наиболее простыми и не требуют для своего выполнения мощных ресурсов. Более того, они «не умеют» распоряжаться большими ресурсами. Примером такой ОС можно считать MS DOS (MicroSoft Disk Operating System). Эта ОС без дополнительно установленных расширений может работать только с 1 Мб оперативной памяти, из которых часть резервируется за компонентами самой ОС, а для выполнения программ пользователя остается лишь 640 Кб. Система управления дисками этой ОС также ограничена: ее файловая система FAT может размещаться на дисках с размером не больше 2 Гб. В MS DOS не реализованы какие-либо средства защиты, любая программа может выполнить любую операцию. Данная ОС использует базовый (реальный режим работы процессоров).

Многопрограммные (мультипрограммные, или мультипроцессные) ОС обеспечивают параллельное выполнение нескольких программ. Поэтому такие ОС должны обеспечить эффективное распределение ресурсов между ними, защиту программ друг от друга, от ошибок, которые могут произойти при выполнении одной из программ (ошибки одной программы не должны помешать выполнению другой). Кроме того, программы во время выполнения могут взаимодействовать, обмениваться данными друг с другом, поэтому ОС должна обеспечить эффективные механизмы реализации такого взаимодействия.

В современных ОС введено еще одно понятие — многозадачность. Задача (поток, нить управления, тред — thread) в ОС соответствует подзадаче, решаемой в рамках программы (например, при работе с текстовым редактором можно выделить подзадачи редактирования текста, печати документа, проверки правописания и т.п.). Многозадачные ОС реализуют принцип мультипрограммирования в рамках одной программы, т.е. при выполнении одной программы параллельно может выполняться несколько задач (пользователь может отправить документ на печать, сам в это время может заняться редактированием другого документа, включив фоновую проверку орфографии и грамматики и т.п.). Все современные ОС для ПК являются многозадачными. Примерами таких систем служат ОС фирмы Microsoft (Windows 9x (95/98/ME), операционные системы, основанные на технологии NT (New Technology) — Windows NT, семейства Windows 2000 и Windows XP/2003), OS/2 фирмы IBM, ОС UNIX, сетевая ОС Novell NetWare и др. Такие системы в полной мере используют все возможности аппаратуры современных вычислительных систем.

Однопользовательские системы могут быть как одно-, так и многопрограммными (MS DOS и Windows 9x). Многопользовательские ОС обязательно являются мультипрограммными (ОС для мэйнфреймов IBM/390, сетевые серверные ОС).

Современные ОС обеспечивают различные режимы выполнения программ: на одном и том же компьютере могут выполняться как программы в интерактивном (диалоговом) режиме, так и программы реального времени. Например, пользователь работает в текстовым процессором или электронной таблицей, взаимодействуя с ними, а в это время в реальном времени выполняются коммуникационные программы, обеспечивающие доступ к удаленным ресурсам по сети, передачу сообщений.

Пользователь может составить «пакет», который система должна будет выполнить «самостоятельно», создав командный файл или сценарий на специальном языке, предоставляемом в его распоряжение.

В MS-DOS последовательность команд можно было задать в виде командного файла с расширением .bat. В ранних версиях Windows в качестве языка сценариев также поддерживался только язык команд MS-DOS. По сравнению с VBScript и Jscript, язык команд MS-DOS обладает ограниченным набором средств, хотя и является компактным и быстрым. Например, в нем нет средств для управления процессом выполнения программы. Теперь сервер сценариев Windows позволяет воспользоваться преимуществами этих мощных языков (при этом поддержка языка команд MS-DOS предоставляется по-прежнему). Для разработки сценариев Windows следует использовать редакторы сценариев JScript или VBScript (в составе Visual Basic Scripting Edition).

Функция управления процессами

Основная функция ОС — управление вычислительным процессом, выполнением программ.

ОС представляет собой совокупность управляющих и вспомогательных, служебных программ. Основной функцией ОС является организация выполнения программ. Остальные функции лишь обеспечивают условия для решения этой задачи: программе во время выполнения необходимы ресурсы (оперативная память и время процессора, внешние устройства для выполнения операций ввода/вывода, организации доступа к данным), пользователь должен иметь в своем распоряжении средства для запуска программ и наблюдения за ходом их выполнения, для взаимодействия с ними и получения результатов.

Программы во время выполнения на ВС могут находиться в нескольких состояниях:

• порождения — состояние инициализации программы, в которое она попадает сразу после запуска ее пользователем; это состояние ожидания программой выделения ей всех необходимых для начала работы ресурсов (памяти, например);
• готовности — программа проинициализирована и может начать выполнение, но для этого ей требуется получить время процессора (следующее состояние — активность);
• активности — программа выполняется, занимая процессор;
• ожидания — выполнение программы заблокировано, так как во время работы она запросила дополнительные ресурсы (память для размещения новых данных, например) или ждет завершения ввода или вывода данных, ответа пользователя на сообщение;
• завершения — сохраняются результаты работы программы, освобождаются все выделенные программе ресурсы.