Автоматизация производства ЛЕКЦИЯ №10. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Программное обеспечение вычислительной техники

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователей.

Все программное обеспечение принято делить на две части: системное и прикладное.

Слои программного обеспечения компьютерной системы приведены на рисунке

(нарисовать)

Слои программного обеспечения компьютерной системы

Деление на прикладное и системное программное обеспечение является отчасти условным и зависит от того, кто осуществляет такое деление. Так, обычный пользователь, неискушенный в программировании, может считать Microsoft Word системной программой, а, с точки зрения программиста, это - приложение. Компилятор языка Си для обычного программиста - системная программа, а для системного - прикладная. Под системным программным обеспечением обычно понимают программы, способствующие функционированию и разработке прикладных программ.

Прикладное программное обеспечение предназначено для решения конкретных задач пользователя и организации вычислительного процесса информационной системы в целом.

Прикладное программное обеспечение работает под управлением системного программного обеспечения, в частности операционных систем.

В состав прикладного ПО входят:

• пакеты прикладных программ различного назначения;

• рабочие программы пользователя и информационной системы в целом

Пакет прикладных программ - это комплекс программ, предназначенный для решения задач определенного класса (функциональная подсистема, бизнес-приложение).

Различают следующие типы пакетов прикладных программ:

• общего назначения (универсальные);

• методо-ориентированные;

• проблемно-ориентированные;

• глобальных сетей;

• организации (администрирования) вычислительного процесса.

Пакеты прикладных программ общего назначения - универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации разработки и эксплуатации функциональных задач пользователя и информационных систем в целом.

К этому классу пакетов прикладных программ относятся:

• редакторы текстовые (текстовые процессоры) и графические;

• электронные таблицы;

• системы управления базами данных (СУБД);

• интегрированные пакеты;

• Case-технологии;

• оболочки экспертных систем и систем искусственного интеллекта

Для IBM PC разработаны и используются сотни тысяч различных прикладных программ для различных применений. Наиболее широко применяются программы:

• подготовки текстов (документов) на компьютере - редакторы текстов;

• обработки табличных данных - табличные процессоры;

• подготовки документов типографского качества - издательские системы;

• обработки массивов информации - СУБД;

• подготовки презентаций (слайд-шоу);

• программы экономического назначения - бухгалтерские, финансового анализа, правовые базы

данных;

• программы для создания рисунков, анимационных и видеофильмов;

• системы автоматизированного проектирования САПР, т.е. программы черчения и конструирования различных предметов и механизмов;

• программы для статистического анализа данных;

• компьютерные игры, обучающие программы, электронные справочники.

Операционные системы

Операционная система составляет основу программного обеспечения ПК. Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств, который обеспечивает взаимодейс твие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение ПК, входящее в его систему BIOS, с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений.

Для того чтобы компьютер мог работать, на его жестком диске должна быть установлена (записана) операционная система. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Таким образом, операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними.

Интерфейс между операционной системой и пользовательской программой обеспечивают Системные вызовы (system calls). Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых - процессы и файлы. Системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями, в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями.

Прерывание (hardware interrupt) - это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процеесор о том, что произошло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода-вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память).

Основные функции ОС:

• управление процессами (распределяет ресурс — процессорное время);

• управление памятью (распределяет ресурс — адресное пространство основной памяти);

• управление устройствами (распределяет ресурсы) — оборудование ввода - вывода;

• управление данными (распределяет ресурс — данные или файлы).

Операционная система для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

• программы управления вводом/выводом;

• программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера;

• процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды,

• адресованные операционной системе.

Каждая операционная система имеет свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия:

• обращаться к каталогу

• выполнять разметку внешних носителей;

• запускать программы;

• другие действия.

Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор операционной системы.

Для управления внешними устройствами компьютера используются специальные системные программы — драйверы.

Драйвер внешних устройств - это программа ОС обслуживающая отдельное периферийное устройство ПК. Каждое устройство располагает своим драйвером, который реализует обмен информации между памятью компьютера и внешним устройством. Драйвер должен учитывать все характеристики и элементы конструкции периферийного устройства.

Драйверы стандартных устройств хранятся в микросхеме флеш-памяти BIOS или в микросхемах, смонтированных на контроллерах устройств ввода-вывода. Драйверы модернизированных или новых устройств представлены отдельными программами, которые при запуске компьютера динамически подключаются к операционной системе.

Классификация ОС

Существует несколько схем классификации операционных систем. Ниже приведена классификация по некоторым признакам с точки зрения пользователя.

1. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы можно разделить на два класса:

• многозадачные (Unix, OS/2, Windows);

• однозадачные (например, MS-DOS).

Многозадачный режим, который воплощает в себе идею разделения времени, называется вытесняющим (preemptive). Каждой программе выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другой программе. Говорят, что первая программа будет вытеснена. В вытесняющем режиме работают пользовательские программы большинства коммерческих ОС.

Хотя в ОС MS-DOS можно организовать запуск дочерней задачи и наличие в памяти двух и более задач одновременно, но из-за отсутствия защитных механизмов и коммуникационных возможностей эта ОС традиционно считается однозадачной.

2. По числу одновременно работающих пользователей ОС можно разделить на:

• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);

• многопользовательские (Unix, Windows NT. Windows XP и др.).

Наиболее существенное отличие между этими ОС заключается в наличии у многопользовательских систем механизмов защи ты персональных данных каждого пользователя.

3. По числу параллельной обработки процессоров ОС можно разделить на:

• однопроцессорная обработка;

• многопроцессорная обработка.

Вплоть до недавнего времени вычислительные системы имели один центральный процессор. В результате требований к повышению производительности появились многопроцессорные системы, состоящие из двух и более процессоров общего назначения, осуществляющих параллельное выполнение команд. Поддержка мультипроцессирования является важным свойством ОС и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows NT, и ряде других.

Многопроцессорные ОС разделяю на:

• симметричные

• асимметричные.

В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро, и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована. При этом каждому из процессоров доступна вся память.

В асимметричных ОС процессоры неравноправны. Обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

4. Системы реального времени

В разряд многозадачных ОС. наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени.

Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем они могут поступать, причем от нескольких источников одновременно.

Сервисные программы, трансляторы языков программирования, программы технического обслуживания

Сервисное программное обеспечение - это совокупность программных продуктов, предоставляющих пользователю дополнительные услуги в работе с компьютером и расширяющих возможности операционных систем.

По функциональным возможностям сервисные средства можно подразделить на средства:

• улучшающие пользовательский интерфейс;

• защищающие данные от разрушения и несанкционированного доступа;

• восстанавливающие данные;

• ускоряющие обмен данными между диском и ОЗУ;

• архивации-разархивации;

• антивирусные средства.

По способу организации и реализации сервисные средства могут быть представлены: оболочками, утилитами (вспомогательная компьютерная программа в составе общего программного обеспечения для выполнения специализированных типовых задач, связанных с работой оборудования и операционной системы (ОС)) и автономными программами. Разница между оболочками и утилитами зачастую выражается лишь в универсальности первых и специализации вторых.

Оболочки являются как бы настройками над операционной системой или группой утилит. Утилиты и автономные программы имеют узкоспециализированное назначение и выполняют каждая свою функцию. Но утилиты, в отличие от автономных программ, выполняются в среде соответствующих оболочек. При этом они конкурируют в своих функциях с программами, ОС и другими утилитами. Поэтому классификация сервисных средств по их функциям и способам организации является достаточно размытой и весьма условной.

Утилиты предоставляют пользователю дополнительные услуги (не требующие разработки специальных программ) в основном по обслуживанию дисков и файловой системы.

Утилиты чаще всего позволяют выполнять следующие функции:

• обслуживание дисков (форматирование, обеспечение сохранности информации, возможности ее восстановления в случае сбоя и т. д.)

• обслуживание файлов и каталогов (аналогично оболочкам)

• создание и обновление архивов

• предоставление информации о ресурсах компьютера, о дисковом пространстве, о распределении ОЗУ между программами

• печать текстовых и других файлов в различных режимах и форматах

• защита от компьютерных вирусов.

Программные средства антивирусной защиты обеспечивают диагностику (обнаружение) и лечение (нейтрализацию) вирусов. Термином "вирус" обозначается программа, способная размножаться, внедряясь в другие программы, совершая при этом различные нежелательные действия

Транслятором языка программирования называется программа, осуществляющая перевод текста программы с языка программирования в (как правило) машинный код. Комплекс средств, включающих в себя входной язык программирования, транслятор, машинный язык, библиотеки стандартных программ, средства отладки оттранслированных программ и компоновки их в единое целое, называется системой программирования. В системе программирования транслятор переводи т программу, написанную на входном языке программирования, на язык машинные команд конкретной ЭВМ. В зависимости от способа перевода с входного языка (языка программирования) трансляторы подразделяются на компиляторы и интерпретаторы.

В компиляции процессы трансляции и выполнения программы разделены во времени. Сначала компилируемая программа преобразуется в набор объектных модулей на машинном языке, которые затем собираются (компонуются) в единую машинную программу, готовую к выполнению и сохраняемую в виде файла на магнитном диске. Эта программа может быть выполнена многократно без повторной трансляции. Интерпретатор осуществляет пошаговую трансляцию и немедленное выполнение операторов исходной программы: каждый оператор входного языка программирования транслируется в одну пли несколько команд машинного языка, которые тут же выполняются без сохранения на диске. Таким образом, при интерпретации программа на машинном языке не сохраняется и поэтому при каждом запуске исходной программы на выполнение ее нужно (пошагово) транслировать заново.

Главным достоинством интерпретатора по сравнению с компилятором является простота. Входной язык программирования называется языком высокого уровня по отношению к машинному языку, называемому языком низкого уровня. Особое место в системе программирования занимают ассемблеры, представляющие собой комплекс, состоящий из входного языка программирования ассемблера и ассемблера-компилятора. Ассемблер представляет собой мнемоническую (условную) запись машинных команд и позволяет получить высокоэффективные программы на машинном языке. Однако его использование требует высокой квалификации программиста и больших затрат времени на составление и отладку программ.

Под программами технического обслуживания понимается совокупность программно­аппаратных средств для диагностики и обнаружения ошибок в процессе работы компьютера или вычислительной системы в целом.

Они включают в себя:

• средства диагностики и тестового контроля правильности работы ЭВМ и ее отдельных частей, в том числе автоматического поиска ошибок и неисправностей с определенной локализацией их в ЭВМ;

• специальные программы диагностики и контроля вычислительной среды информационной системы в целом, в том числе программно-аппаратный контроль, осуществляющий автоматическую проверку работоспособности системы обработки данных перед началом работы вычислительной системы в очередную производственную смену.

7