3.ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ

3.1.Состав системного программного обеспечения

Между отдельными программами математического или программного обеспечения (ПО) существует тесная взаимосвязь. Такая связь обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней. Классификация программных продуктов по сферам использования приведена на рис. 3.1. Там же дана и структура системного программного обеспечения.

Системное ПО направлено:

§на создание операционной среды функционирования других программ;

§на обеспечение надёжной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

§на проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

§на выполнение вспомогательных технологических процессов (копирование, восстановление и т. п.).

Системное программное обеспечение тесно связано с типом компьютера и является его неотъемлемой частью.

Пакеты прикладных программ нужны для решения функциональных задач и являются

самым

многочисленным

классом

Классы программных продуктов

программных продуктов.

Инструментарий

технологии

программирования

обеспечивает

процесс

разработки

программ и

Пакеты прикладных

Инструментарий

Системное ПО

программ

технологии

включает

специализированные

программирования

программные продукты, являющиеся

инструментальными

средствами

Операцион-

Базовое ПО

Служебные

разработчика. Они поддерживают все

ные системы

программы

технологические этапы

процесса

проектирования,

программирования,

Файловые

Драйверы

Утилиты

Антивирус-

отладки и тестирования создаваемых

системы

устройств

ные стредства

программ.

Рис. 3.1

Базовое

ПО в

архитектуре

компьютера

занимает

особое

положение: оно одновременно является частью аппаратных средств и одним из программных модулей операционной системы. Базовое ПО или BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) представляет программа, которая отвечает за управление всеми компонентами, установленными на материнской плате. Она может быть отнесена к особой категории компьютерных компонент, занимая промежуточное положение между аппаратурой и программным обеспечением. BIOS поддерживает процесс ввода-вывода и процедуру тестирования всего установленного на материнской плате оборудования, проводимого после каждого включения компьютера.

Это тестирование включает:

§проверку работоспособности системы управления электропитанием;

§инициализацию системных ресурсов и регистров микросхем;

§тестирование оперативной памяти;

§подключение клавиатуры;

§тестирование портов;

§инициализацию контроллеров, подключение жёстких дисков.

79

В процессе тестирования оборудования данные системной конфигурации сравниваются с информацией, хранящейся с CMOS – специальной энергонезависимой памяти, разновидности ПЗУ, расположенной на системной плате. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS, и обновляется всякий раз при изменении каких-нибудь настроек BIOS.

Ещё одной важной функцией BIOS является загрузка операционной системы, которую можно выполнять с различных носителей. В последних версиях персональных компьютеров BIOS управляет потребляемой мощностью компьютера, включает и выключает источник питания. Наиболее известная фирма, производящая программное обеспечение для

BIOS – это Award Software.

Основу системного ПО составляют программы, входящие в операционные системы (ОС) компьютеров. Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ, организацией взаимодействия отдельных процессов, протекающих в компьютере во время его работы.

Последний комплекс программ – служебные. Это программы, используемые при техническом обслуживании компьютера: редакторы, отладчики, архиваторы, антивирусные программы и т. п. Они облегчают пользователю процесс взаимодействия с компьютером. Чем богаче в целом системное ПО, тем продуктивнее работа на компьютере.

3.2. Операционные системы

Операционные системы занимают промежуточное место в иерархии аппаратно-

программных средств компьютера (см. схему на рис. 3.2). Самый нижний уровень схемы
				занимают интегральные микросхемы, источники питания,
	Прикладные программы
				дисководы	и другие физические устройства.			Выше, во
	Интерпрета-	Компиляторы	Редакторы
				втором	слое,	находятся	внутренние	регистры
	торы
				центрального процессора (ЦП), арифметико-логическое
	Операционная система
				устройство (АЛУ). Они рассматриваются с точки зрения
	Система команд
				функционально-логических связей.
	Функциональные средства
				Система команд компьютера образует машинный
	Аппаратные средства
		Рис. 3.2		язык, имеющий от		50 до 300	команд. На этом языке

осуществляется преобразование, модификация и перемещение данных между устройствами. Все эти действия выполняются весьма сложно, например, при программировании ввода- вывода диску нужно дать команду чтения, записав в его регистры адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения и направление действия (чтение или запись). В действительности передаётся ещё несколько параметров чисто технического свойства.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности, избавив его от непосредственного общения с аппаратурой, предоставляя ему более удобную систему команд.

Над операционной системой в структуре аппаратно-программных средств находятся трансляторы, редакторы и т. п. Они не являются частью ОС.

Все программы ОС защищены от вмешательства пользователя аппаратными средствами. Некоторые программы ОС работают в пользовательском режиме. Это значит, что их функции влияют на работу системы (например, программы изменяющие пароли), однако и эти программы также защищены от воздействия пользователя.

Самый верхний слой схемы занимают прикладные программы. Это чисто пользовательские задачи, их состав может изменяться в широких пределах.

Операционные системы выполняют две основные функции – расширение возможностей машины и управление её ресурсами. С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию виртуальной машины, с которой проще и легче работать, чем

80

непосредственно с аппаратным обеспечением, т. е. представляет собой удобный интерфейс пользователя.

3.3. Виды операционных систем и их базовые понятия

Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества операционных систем. Самые сложные из них – это ОС для мэйнфреймов, которые ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Такие системы обычно выполняют три вида операций: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции, например, бронирование авиабилетов) и разделение времени. Примером операционной системы для мэйнфреймов является OS/390.

Уровнем ниже находятся серверные ОС, которые одновременно обслуживают множество пользователей и делят между ними программно-аппаратные ресурсы ЭВМ.

Варианты серверных ОС с некоторыми специальными возможностями обслуживают многопроцессорные компьютерные системы. Система Windows 2000 является типичной серверной ОС.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Основные ОС в этой категории – Windows 98, Windows 2000, Linux.

Существует ещё несколько типов ОС, например, системы реального времени. Эти системы управляют процессами, подчинёнными жёстким временным требованиям, например, технологическим. Встроенные операционные системы используются в карманных компьютерах и в бытовой технике. Наконец, самые маленькие ОС работают в смарт-картах, управляя всего несколькими, а иногда всего одной операцией.

Базовыми понятиями операционных систем являются понятия процесса, памяти и файла. Процессом называют программу в момент её выполнения. С каждым процессом связано его адресное пространство, т. е. список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и её стек. Вся информация о процессе хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой связанный список структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс. Информация из таблицы процессов используется ОС для прерывания, остановки и повторного запуска какого-нибудь процесса.

Оперативная система управляет памятью ЭВМ. Если в памяти хранится несколько программ, то для того, чтобы они не мешали друг другу, необходим защитный механизм. Этот механизм управляется операционной системой. Кроме того ОС управляет адресным пространством процессов. Если адресное пространство какого-нибудь процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, то ОС хранит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами по мере необходимости. Эта функция – управление памятью процессов.

Вся информация хранится в файловой системе. Эта система виртуально поддерживается всеми ОС. При создании места для хранения файлов ОС использует понятие каталога, как способ объединения файлов в группы. Файлы и процессы сведены в иерархию в виде деревьев. Иерархия процессов обычно не очень глубока – два – три уровня, файловая же структура часто имеет пять и более уровней в глубину. Иерархия процессов живёт, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.

3.4. Процессы и потоки

Все ЭВМ могут одновременно выполнять несколько операций, например, чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе процессор

81

переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом создаётся иллюзия параллельной работы всех программ. Если центральный процессор один, то речь идёт о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах.

Всякая ОС осуществляет модель последовательных процессов, именно работа всех

программ и частей персонального компьютера организована в виде набора последовательных процессов. Например, процессом является выполняемая программа вместе с текущим значением счётчика команд, регистров и переменных. С позиции этой

абстрактной модели у каждого процесса есть собственный центральный виртуальный процессор. На самом деле ЦП переключается с процесса на процесс. Это переключение называется многозадачностью или мультипрограммированием.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимодействие с пользователем и выполняют заданную работу, остальные являются фоновыми и выполняют особые функции, не связанные с данным пользователем.

Текущий процесс может создать один или несколько новых процессов. Это полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу можно сформулировать как набор связанных, но независимых взаимодействующих процессов. Например, если выбирается большое количество данных из сети, то удобно создать один процесс для выборки данных и размещение их в буфере, другой – для считывания и обработки данных из буфера.

Все процессы завершаются по мере выполнения своей работы. Процессы являются

независимыми

объектами со своими

счётчиками команд и внутренними

состояниями.

Процессы

могут

взаимодействовать друг с другом. Модель

0

1

2

…

n-1

n

процессов упрощает представление о внутреннем поведении

Планировщик

системы. Эту модель можно представить следующей схемой

Рис. 3.3. Модель процессов

(см. рис. 3.3).

Нижний

уровень –

это

планировщик –

специальная программа. На

верхних

уровнях

расположены

процессы. Обработка прерываний и процедуры, связанные с запуском и остановкой процессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.

Втаблице процессов о каждом открытом процессе хранится следующая информация:

§о состоянии процесса;

§счётчик команд;

§распределение памяти;

§состояние открытых файлов;

§указатель стека;

§о использовании и распределении ресурсов.

Модель процесса базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Когда эти концепции разделяют, появляется понятие

потока.

В обычных ОС каждый процесс определяется соответствующим адресным пространством и одиночным управляющим потоком. Однако нередки ситуации, когда в

одном адресном пространстве желательно иметь несколько квазипараллельных управляющих процессов.

Прежде всего, каждый процесс рассматривается как способ объединения родственных ресурсов в одну группу. У процесса есть адресное пространство, содержащее программу, данные, открытые файлы, дочерние процессы, аварийные необработанные события, обработчики сигналов, учётная информация и п. п. Это – ресурсы процесса.

С другой стороны, каждый процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд. Поток имеет счётчик команд, регистры с текущими переменными, стек, где хранится протокол выполнения процесса. Если процессы используются для группирования ресурсов, то потоки являются объектами, поочерёдно исполняющимися на центральном процессоре.

82