Программные средства реализации информационных процессов

Лекция 4. Программные средства реализации информационных процессов

Классификация программных продуктов по сфере использования

Сфера использования:

• аппаратная часть автономных компьютеров и сетей ЭВМ;

• функциональные задачи различных предметных областей;

• технология разработки программ.

Системное программное обеспечение (System Software) – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.

Инструментарий технологии программирования – совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов.

Пакеты прикладных программ – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Системное программное обеспечение

Базовое программное обеспечение (base software) — минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. Самый низкий уровень программного обеспечения. Отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами и согласованием их работы. ПО этого уровня, как правило, хранятся в специальных микросхемах, называемых ПЗУ (Read Only Memory – ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены на этапе эксплуатации. Если изменение базовых программ считается целесообразным технически, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства ППЗУ (Erasable Programmable Read Only Memory – EPROM). Тогда изменение содержания ПЗУ можно выполнять непосредственно в системе (флэш-технологии) или на специальных устройствах-программаторах. Программы низшего уровня (BIOS)1 начинают работать в момент первичной загрузки компьютера. Обеспечивают аппаратно-программный интерфейс.

Системный уровень. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие программ прикладного (более высокого) уровня с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, т.е. выполняют посреднические функции. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами называются драйверами – они входят в состав ПО системного уровня и обеспечивают аппаратно-программный интерфейс. Другой класс программ этого уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно этот класс позволяет вводить данные, управлять работой вычислительной системы, получать результаты работы в удобной форме. Этот класс есть средство обеспечения пользовательского интерфейса (удобство работы с компьютером и производительность труда). Итак, программы системного уровня обеспечивают взаимодействие пользователя с оборудованием, опираются на программы базового уровня, обеспечивают взаимодействие дополнительного оборудования с базовым, предоставляют возможность установки и работы программ более высокого уровня. Совокупность ПО системного уровня образует ядро ОС.

Служебный уровень. Программы служебного уровня (утилиты) обслуживают компьютерную систему, автоматизируют работы по ее проверке, наладке и настройке. Опираются на программы базового и системного уровней. Некоторые утилиты изначально входят в состав ОС, другие являются для ОС внешними и служат для расширения ее функций. Средства коммуникации относятся к служебным программам. Они позволяют установить соединение с удаленным компьютером, обеспечивают передачу электронной почты и другое в компьютерных сетях.

Операционная система

Облик вычислительной системы в наибольшей степени определяет операционная система (ОС). Дать определение, что такое ОС, достаточно затруднительно. Это связано с тем, что ОС выполняет две мало связанные между собой функции:

• обеспечение пользователю удобств «расширенной машины»;

• повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

ОС как расширенная машина

ОС ограждает пользователя от непосредственной работы с аппаратурой, составляющей реальную машину. Например, при работе с диском пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Вопросы, какую частотную модуляцию использовать при записи, в каком состоянии находится двигатель перемещения считывающих головок, пользователя волновать не должны. ОС берет на себя также проблемы, связанные с обработкой прерываний, управления таймерами и ОП, и другие низкоуровневые проблемы. Фактически ОС представляет пользователю некую расширенную виртуальную машину, которую легче программировать, и с которой легче работать.

ОС как система управления ресурсами

ОС должна управлять всеми ресурсами компьютера таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Что включает в себя:

• планирование ресурса – кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

• отслеживание состояния ресурса – поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое количество уже распределено, а какое свободно.

ОС представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней — прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем — посредническая. Она заключаются в обеспечении нескольких видов интерфейса:

• интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

• интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

• интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как IBM PC, существует несколько операционных систем.

Функции ОС

Обеспечение интерфейса пользователя. По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после ее утверждения, например нажатием клавиши ENTER. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивается семейством операционных систем под общим названием MS-DOS (версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.2).

Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве основного органа управления кроме клавиатуры используется мышь. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши — графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши.

В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие).

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

Обеспечение автоматического запуска. Все операционные системы обеспечивают свой автоматический запуск.

Организация файловой системы. Все современные дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы — табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах).

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (216) о местоположении единиц хранения данных и, соответственно, для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для жестких дисков размером более 1 Гбайта потери, связанные с неэффективностью файловой системы, весьма значительны и могут составлять от 25% до 40% полной емкости диска, в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками же размером более 2 Гбайт файловая система FAT16 вообще работать не может.

Операционные системы Windows 98, 2000, XP обеспечивают более совершенную организацию файловой системы — FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows XP способны поддерживать совершенно иную файловую систему NTFS. В ней хранение файлов организовано иначе – служебная информация хранится в Главной таблице файлов (MFT). Размер кластера не зависит от размера диска.

Обслуживание файловой структуры. Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры, а все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы:

• создание файлов и присвоение им имен;

• создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

• переименование файлов и каталогов (папок);

• копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска;

• удаление файлов и каталогов (папок);

• навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке);

• управление атрибутами файлов.

Создание и именование файлов. Файл — это именованная последовательность байтов произвольной длины. Поскольку из этого определения вытекает, что файл может иметь нулевую длину, то фактически создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе — это одна из функций операционной системы. Даже когда создается файл, в какой-то прикладной программе, в общем случае для этой операции привлекаются средства операционной системы.

По способам именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. До появления операционной системы Windows 95 общепринятым способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3. Согласно этому соглашению, принятому в MS-DOS, имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводится 8 символов, а на его расширение, — 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Сегодня имена файлов, записанные в соответствии с соглашением 8.3, считаются «короткими». Основным недостатком «коротких» имен является их низкая содержательность. Далеко не всегда удается выразить несколькими символами характеристику файла, поэтому с появлением операционной системы Windows 95 было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Этого вполне достаточно для создания содержательных имен файлов. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных: \ / : * « ? < > |. В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки. Наряду с «длинным» именем операционные системы WindowsХХ создают также и короткое имя файла — оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование «длинных» имен файлов в операционных системах Windows ХХ имеет ряд особенностей:

1. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания.

2. В корневой папке диска (на верхнем уровне иерархической файловой структуры) нежелательно хранить файлы с длинными именами — в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения, причем, чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке.