Взаимосвязь программного обеспечения (уровни программной конфигурации)

 

7.1 Понятие и классификация программного обеспечения (ПО)

Программным обеспечением ЭВМ называется совокупность программ и документации, необходимые для эксплуатации ЭВМ.

Программы - это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы – управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройства ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, т. е. работают на основе межпрограммного интерфейса. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия. На практике интерфейс обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой видов.

Существуют следующие виды программного обеспечения (рисунок 7.1):

- Базовое программное обеспечение;

- Системное программное обеспечение;

- Прикладное программное обеспечение;

- Инструментарий технологий программирования.

 

Рисунок 7.1. – Классификация программного обеспечения

Базовое программное обеспечение – самый низкий уровень программного обеспечения. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми программными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ – Erasable and Programmable Read Only Memory). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией ), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

К базовому программному обеспечению относится базовая система ввода-вывода.

BIOS (BIOS Basic Input/Output System) – набор программ небольшого размера, в функции которых входят начальное тестирование оборудования и обеспечение взаимодействия компонентов компьютера. Имеется несколько видов BIOS: например, видео-BIOS обеспечивает работу видеоплаты, начиная от ее тестирования в момент включения и заканчивая взаимодействием видеоплаты с процессором, BIOS SCSI-контроллера выполняет роль переводчика между интерфейсом и системной шиной и т. п. Но наиболее важной в компьютере является системная BIOS, в функции которой входят:

• тестирование компьютера при включении питания с помощью специальных тестовых программ;

• поиск и подключение к системе других BIOS, расположенных на платах расширения;

• распределение ресурсов между компонентами компьютера.

Содержимое BIOS доступно процессору без обращения к дискам, что позволяет компьютеру работать даже при повреждении дисковой системы. Содержащиеся в системной BIOS программы обеспечивают взаимодействие процессора, оперативной памяти, кэш-памяти, микросхем чипсета с внешними (периферийными) устройствами, а также друг с другом.

Физически BIOS — это набор микросхем постоянной памяти (ROM, Read Memory — только для чтения), расположенных на материнской плате.

 

_{Системное программное обеспечение (System Software) — совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.}

_{Системнoe программное обеспечениенаправлено:}

1. На создание операционной среды функционирования других программ;

2. На обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

3. На проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

4. На выполнение вспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование, восстановление файлов программ и баз данных и т.д.).

_{Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью.}

_{Системное программное обеспечение носит общий характер применения, независимо от специфики предметной области. К ним предъявляются высокие требования по надежности и технологичности работы, удобству и эффективности использования.}

Пакеты прикладных программ (application program package) — комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

_{Пакеты прикладных программ служат программным инструментарием функциональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку различных предметных областей. Данный класс программных продуктов может быть весьма специфичным для отдельных предметных областей.}

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

Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты, которые являются инструментальными средствами разработчика. Программные продукты поддерживают все технологические этапы процесса проектирования, программирования, отладки и тестирования создаваемых программ.

Инструментарий технологии программирования делится на следующие группы:

1. Средства для создания приложений, включающие: локальные средства, обеспечивающие выполнение отдельных работ по созданию программ; интегрированные среды разработчиков программ, обеспечивающие выполнение комплекса взаимосвязанных работ по созданию программ;

2. CASE-технологии (Computed Aided Software Engineering) – система конструирования программ с помощью компьютера, представляющая методы анализа, проектирования и создания программных систем и предназначенная для автоматизации процессов разработки и реализации информационных систем. Это программный комплекс, автоматизирующий весь технологический процесс анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных программных систем.

 

^ 7.2 Операционные системы: назначение и классификация

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций.

- предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;

- повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторыми критерием.

Операционная система (ОС) - это программа, которая предназначена для управления всеми физическими и логическими ресурсами компьютера и способная создавать интерфейс между пользователем и компьютером.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

1. Одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);

2. Одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);

3. Непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

4. Несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети.

Примеры ОС: MS DOS, Windows 98/2000, Windows XP, Lunix и др.

 

Понятие файла. Таблица FAT

Долговременно информация хранится на внешних носителях в виде файлов. При хранении придерживаются определенной организации данных, под которой понимают совокупность правил, определяющих особенности размещения данных на внешних устройствах, методы доступа к ним, средства защиты данных от несанкционированного доступа и т.п. Совокупность средств операционной системы, обеспечивающих доступ к данным, называется файловой системой.

Стартовый сектор (загрузочная запись), таблица размещения файлов, корневой каталог и остающееся свободным пространство памяти диска, называемое областью данных, являются элементами файловой структуры диска. Они создаются операционной системой в процессе инициализации диска. На рисунке 7.2 показана структура размещения данных на диске.

На диске размещается используемый программой сжатия данных DoubleSpace файл сжатого тома CVF (Compressed Volume File). Таких файлов в системе может быть до 255.

Жесткие диски характеризуются возможностью предварительного разбиения их на несколько разделов. Поэтому в начальных секторах жесткого диска содержится информация о количестве разделов, их местоположении и размерах. Разделы жесткого диска рассматриваются как автономные виртуальные диски. Каждый из них инициализируются отдельно и имеет собственное имя (С:, D:, E).

Рисунок 7.2. – Элементы файловой структуры диска

 

Все современные дисковые операционные системы 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 тли иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется операционной системой.

Достоинством такой организации является возможность осуществления прямого доступа к данным файла. Недостатком является постепенное фрагментирование диска при активной работе с файловой системой по уничтожению, созданию и изменению объемов файлов. При этом занимаемое файлами пространство «разорвано» по всему диску. Фрагментирование значительно увеличивает время доступа к данным на диске.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим 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, Windows 95, Windows NT 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 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 современных жестких дисков 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 не работает.

В настоящее время операционные системы Windows98/2000/ХР обеспечивают более совершенную организацию файловой системы FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов.

Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3. – Пример иерархической структуры каталогов и файлов

Каталог представляет собой справочник, содержащий сведения о местоположении, размере, дате и времени обновления файлов. Для каждого файла на диске имеется один элемент в определенном каталоге. Один элемент корневого каталога выделяется для метки диска. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, по принадлежности, по назначению, по времени создания и т.п.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными, и называются подкаталогами. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

Файлом называется поименованная область дискового пространства, на которой хранится логически связанная совокупность данных определенной длины.

Имена файлов должны удовлетворять следующим требованиям:

- имя файла должно иметь расширение, отделяемое от имени точкой и содержащее не более трех символов;

- для записи имен файлов используются буквы латинского и русского алфавитов и специальные знаки: (-) – минус, (_) – подчеркивание, @, $, % др.;

- в качестве имен файлов не должны использоваться следующие буквенные сочетания: AUX, CON, PRN, NUL, COM1, COM2, LPT1, LPT.

Имена файла подбираются таким образом, чтобы по нему можно было легко определить содержимое. Расширение имени, как правило, указывает на тип хранящихся в файле данных. В таблице представлены типовые расширения имен файлов:

 

Таблица 7.1. – Типовые расширения файлов

 

^ Типовое расширение	Содержимое файла
doc	Файл документа
bak	Резервная копия файла
bat	Командный файл
exe	Выполняемая программа
sys	Драйвер управления устройством
xls	Файл, созданный в электронной таблице MS Excel
rar	Архивный файл
html	Файл web-страницы

Кроме имени и расширения имени файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты файла – это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов. Операционная система позволяет их контролировать и изменять; состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами.

Основных атрибутов четыре:

- Только для чтения (Read only);

- Скрытый (Hidden);

- Системный (System);

- Архивный (Archive).

Атрибут «Только для чтения» ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений.

Атрибут «Скрытый» сигнализирует операционной системе о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Эта мера защиты против случайного (умышленного или неумышленного) повреждения файла.

Атрибутом «Системный» помечают файлы, обладающие важными функциями в работе самой операционной системы. Его отличительная особенность в том, что средствами операционной системы его изменить нельзя. Как правило, большинство файлов, имеющих установленный атрибут «Системный», имеют также и установленный атрибут «Скрытый».

Атрибут «Архивный» в прошлом использовался для работы программ резервного копирования. Предполагалось, что любая программа, изменяющая файл, должна автоматически устанавливать этот атрибут, а средство резервного копирования должно его сбрасывать. Таким образом, очередному резервному копированию подлежали только те файлы, у которых этот атрибут был установлен. Современные программы резервного копирования используют другие средства для установления факта изменения файла, и данный атрибут во внимание не принимается, а его изменение вручную средствами операционной системы не имеет практического значения.

^ 7.4 Операционная система MS-DOS

Назначение системы

Операционная система MS DOS была создана в 1981 г. фирмой Microsoft по заказу IBM для разрабатывающихся тогда компьютеров IBM PC. MS DOS – это аббревиатура слов Microsoft Disk Operating System, то есть дисковая операционная система фирмы Microsoft. Операционная система MS DOS имеет развитые средства доступа ко всем аппаратным компонентам, обладает достаточно гибкой файловой системой, основанной на иерархической структуре каталогов, удобным командным языком.

^ Модульная структура

Основными компонентами MS DOS являются:

- базовая система ввода-вывода – BIOS (Basic Input/Output System);

- системный загрузчик (SB – System Bootstrap) – размещается в блоке начальной загрузки;

- базовые модули – io.sys (модуль расширения BIOS) и msdos.sys (модуль обработки прервываний);

- командный процессор – (command.com);

- драйверы устройств (т.е. программы, поддерживающие их работу);

- утилиты DOS (внешние команды DOS);

- командный файл – autoexec.bat;

- файл настройки параметров MS DOS – config.sys.

Системный загрузчик (SB) – это короткая программа, находящаяся в первом секторе диска с операционной системой. Он предназначен для проверки наличия на диске ядра операционной системы и считывания в оперативную память модуля расширения BIOS и модуля обработки прерываний.

Модуль расширения BIOS (файл io.sys) придает гибкость операционной системе, позволяет управлять с ее помощью набором аппаратных средств компьютера, наиболее точно удовлетворяющим замыслу разработчиков операционной системы. Этот модуль сравнительно легко можно модифицировать с учетом нужд конкретной версии MS DOS. Этот модуль позволяет перекрыть функции BIOS в постоянно памяти и обеспечивает возможность подключения дополнительных драйверов.

Модуль обработки прерываний (файл msdos.sys) образует верхний уровень операционной системы, с которым взаимодействует большинство прикладных программ. Компонентами данного модуля являются программы, обеспечивающие работу файловой системы, устройств ввода/вывода (клавиатуры, дисплея, принтера, портов), обслуживания некоторых ситуаций, связанных с завершением программ, их принудительным прерыванием и обработкой ошибок.

Командный процессор (файл command.com) на диске может занимать любое место и по сути представляет собой выполнимую программу. Командный процессор выполняет следующие функции:

- отыскивает и запускает на исполнение файл настройки операционной системы - config.sys, программу автозапуска (файл autoexec.bat), если она есть, а также обрабатывает команды, введены пользователем;

- прием и разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

- выполнение встроенных команд, находящихся внутри файла command.com;

- загрузка и выполнение внешних команд (утилит) и прикладных программ, хранящихся в виде файлов типа com и exe.

Драйверы устройств – это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода и обеспечивают обслуживание новых и нестандартное использование имеющихся устройств. Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле (config.sys). Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы операционной системы.

Командный файл – autoexec.bat и файл настройки параметров MS DOS – config.sys играют особую роль в операционной системе, читаемые при загрузке системы и защищающие ее конфигурацию, загружаемые в память драйверы и резидентные программы, а также дополнительные команды, выполняемые при загрузке системы. Файл autoexec.bat выполняется до загрузки командного процессора и содержит вызовы SYS-драйверов. Загружаемые драйверы устанавливаются командой DEVICE, после которой указывается полное имя файла, содержащего драйвер. Файл autoexec.bat – это список команд, которые пришлось бы вводить вручную в начале каждого сеанса работы.

^ Система команд

Различаются команды в MS DOS двух типов: внутренние и внешние.

Внутренние команды MS DOS встроены в командный процессор command.com и работают под его управлением. Команды вводятся с клавиатуры, их ввод завершается нажатием клавиши <enter>. Набирать команды DOS можно как строчными буквами, так и прописными.

Внешние команды (утилиты) MS DOS поставляются вместе с операционной системой в виде отдельных программ, распознаваемых и выполняемых командным процессором.

_{^ 7.14 Базы данных}

_{Понятие базы данных}

Любой из нас многократно сталкивался с "базами данных". Это - всевозможные справочники (например, телефонный), энциклопедии и т. п. Записная книжка - это тоже "база данных", которая есть у каждого из нас.

Базы данных представляют собой информационные модели, содержащие данные об объектах и их свойствах. Базы данных хранят информацию о группах объектов с одинаковым набором свойств.

Например, база данных "Записная книжка" хранит информацию о людях, каждый из которых имеет фамилию, имя, телефон и т.д. Библиотечный каталог хранит информацию о книгах, каждая из которых имеет название, автора, год издания и т. д.

Информация в базах данных храниться в упорядоченном виде. Так, в записной книжке все записи упорядочены по алфавиту, а в библиотечном каталоге либо по алфавиту, либо по области знаний.

_{В широком смысле слова база данных – это совокупность сведений реального мира о конкретных объектах в какой-либо предметной области. Предметная область – это часть реального мира, подлежащего изучению для организации управления и, в конечном счете, автоматизации. Например, предприятие, школа и т. д. Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Сделать это возможно, только если данные структурированы, то есть имеются соглашения о способах представления данных.}

Концепция баз данных

Активная деятельность по отысканию приемлемых способов обобществления непрерывно растущего объема информации привела к созданию в начале 60-х годов специальных программных комплексов, называемых системами управления базами данных (СУБД).

Основная особенность СУБД - это наличие процедур для ввода и хранения не только самих данных, но и для описания их структуры. Файлы, снабженные описанием хранимых в них данных и находящиеся под управлением СУБД, стали называть банками данных, а затем базами данных (БД).

База данных (БД) – это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

К функциям СУБД относят следующие:

управление данными непосредственно в БД - функция, обеспечивающая хранение данных, непосредственно входящих в БД, и служебной информации, обеспечивающей работу СУБД;

управление данными в памяти компьютера - функция, связанная в первую очередь с тем, что СУБД работают с БД большого размера. В целях ускорения работы СУБД используется буферизация данных в оперативной памяти компьютера. При этом пользователь СУБД использует только необходимую для его конкретной задачи часть БД, а при необходимости получает новую "порцию" данных;

управление транзакциями - функция СУБД, которая производит ряд операций над БД, как над единым целым. Как правило, такие операции производятся в памяти компьютера. В первую очередь транзакции необходимы для поддержания логической целостности БД в многопользовательских системах. Если транзакция (манипуляция над данными) успешно выполняется, то СУБД вносит соответствующие изменения в БД. В обратном случае ни одно из сделанных изменений никак не влияет на состояние БД;

поддержка языков БД - для работы с БД используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В СУБД обычно поддерживается единый язык, содержащий все необходимые средства - от создания БД до обеспечения пользовательского интерфейса при работе с данными. Наиболее распространенным в настоящее время языком СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

Технология БД

Последние три десятилетия в области разработки информационных систем сформировалась новая информационная технология - технология БД. Она включает в себя методы, средства, способы и практические рекомендации применения БД в качестве основного компонента в различных информационных системах (ИС). Существуют разновидности информационных систем, использующие технологию БД: документальные (ДС) и фактографические (ФС).

В документальных системах в результате поиска пользователю выдается документ (информация на носителе), который хранится в системе. Примеры таких систем - библиотеки, архивы. В фактографических системах по запросу выдается копия информации, которая хранится в системе: факты, справки, сведения, описания.

Проектирование баз данных

Проект базы данных надо начинать с анализа информационных потоков и документооборота, определения информационных объектов предметной области, функций по их обработке, связей между ними и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных).

Основными этапами проектирования БД являются:

1. Инфологическое проектирование.