Тема 3. Программное обеспечение информационных технологий

Введение

 

Какими бы совершенными ни были электронно-вычислительные машины, без набора соответствующих программ компьютеры превращаются в бесполезную груду стекла, пластмассы и металла. Успех применения ЭВМ в любой области человеческой деятельности зависит, прежде всего, от того, есть ли в наличии программы для решения возникающих задач и насколько эти программы совершенны.

Компьютерная программа представляет собой последовательность команд, записанных в двоичной форме на машинном языке, понятном процессору компьютера. Компьютерная программа является формой записи алгоритмов решения поставленных задач. Совокупность готовых к исполнению программ, хранящихся в оперативной и внешней памяти компьютера, называется его программным обеспечением (ПО).

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. мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивает распределение ПО на несколько взаимодействующих между собой уровней.

Уровни ПО представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на ПО предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установления программ до практической эксплуатации и технического обслуживания.

В рамках данной лекции рассмотрим классификацию и назначение основных видов программного обеспечения вычислительной системы.

Понятие и классификация программного обеспечения вычислительной техники

Поскольку ЭВМ применяются для решения все новых и новых задач, программное обеспечение постоянно развивается.

Все программное обеспечение в зависимости от вида создаваемой им среды принято разделять на три класса (рис. 1).

Поскольку между прикладным ПО и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек – программа – оборудование.

Программы, с помощью которых пользователь непосредственно решает свои информационные задачи, не прибегая к программированию, называется прикладными программами.

Очевидно, что системы программирования нужны далеко не всем, тогда как системное и прикладное ПО незаменимо и необходимо любому пользователю.

1. Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение подразделяется на базовое и сервисное. Операционная система (ОС) представляет собой совокупность программ (их называют системными) и является посредником между аппаратными средствами, т. е. непосредственно самой ЭВМ с соответствующим машинным языком и пользователем.

Наиболее популярны три семейства операционных систем для персональных компьютеров: Windows и UNIX для IBM-совместимых компьютеров и MacOS для компьютеров Macintosh. Операционные системы Windows выпускаются корпорацией Microsoft, системы семейства UNIX предлагаются различными производителями, в том числе и бесплатно. Широко используемая операционная система Linux входит в состав семейства UNIX. MacOS поставляется фирмой Apple.

Многие специалисты считают, что операционные системы семейства UNIX более надежны и производительны, чем Windows. К недостаткам систем UNIX относятся сложность установки и настройки, а также меньшее, по сравнению с Windows, количество предназначенных для нее прикладных программ.

Современные операционные системы персональных компьютеров предназначены для решения практически одних и тех же задач с использованием оборудования с похожими характеристиками, поэтому сами операционные системы похожи друг на друга по структуре и набору выполняемых функций.

Файлы операционной системы хранятся во внеш­ней, долговременной памяти (на жестком, гибком или лазерном диске). Однако программы могут выполнять­ся, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы операционной системы необходимо за­грузить в оперативную память.

Диск (жесткий, гибкий или лазерный), на котором находятся файлы операционной системы и с которого производится ее загрузка, называется системным.

После включения компьютера производится тестирование компьютера, а затем специальная программа, содержащаяся в BIOS, начинает поиск на имеющихся в компьютере дисках программы программы-загрузчика операционной системы (MasterBoot).

После того как эта программа будет найдена, она загрузится в оперативную память и ей будет передано управление работой компьютера. Программа ищет файлы операционной системы на системном диске и загружает их в оперативную память в качестве программных модулей.

После окончания загрузки операционной системы управление передается командному процессору. В случае использования интерфейса командной строки на экране появляется приглашение системы, в противном случае загружается графический интерфейс операционной системы.

Операционная оболочка – это специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.

Наиболее известными и популярными операционными оболочками в настоящее время являются:

• Norton Commander фирмы Symantic;
• DOS Navigator;
• Far Manager;
• Windows 3.11 и др.

Сервисное программное обеспечение включает программы:

• диагностики работоспособности компьютера;
• обслуживания сети;
• обслуживания дисков и архивирования данных;
• антивирусные и т.д.

Важным классом системных программ являются драйверы. Они расширяют возможности ОС, например, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством, обучая ее новому протоколу обмена данными и т.д. Большинство ОС содержит немало драйверов в комплекте своей поставки, и программа установки ОС устанавливает (задействует) те драйверы, которые нужны для поддержки устройств и функций ОС, указанных пользователем. Драйверы для различных ОС часто поставляются и вместе с новыми устройствами или контроллерами.

Значительная часть сервисных программ входит в стандартный комплект поставки современных операционных систем. Кроме того, существует широкий набор сервисных программ – утилит, которые могут устанавливаться дополнительно:

1) программы резервирования – позволяют быстро скопировать нужную информацию, находящуюся на жестком диске компьютера, на дискеты, съемные диски или кассеты стримера;

2) антивирусные программы – предназначены для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствий заражения;

3) программы-упаковщики (архиваторы) позволяют за счет применения специальных методов «упаковки» информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл;

4) программы-русификаторы приспосабливают другие программы (обычно ОС) для работы с русскими буквами (текстами, пользователями и т.д.);

5) программы для диагностики компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера и работоспособность его устройств;

6) программы-кэши убыстряют доступ к информации на дисках путем организации в оперативной памяти кэш-буфера, содержащего наиболее часто используемые участки диска;

7) программы для оптимизации дисков позволяют обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске;

8) программы динамического сжатия дисков создают псевдодиски, информация которых хранится в сжатом виде на обычных (настоящих) дисках компьютера, что позволяет хранить больше объемы данных;

9) программы ограничения доступа позволяют защитить хранящиеся на компьютере данные от нежелательных или неквалифицированных пользователей.

1.1. Операционные системы персональных компьютеров. История развития операционных систем

В первых вычислительных машинах операционных систем не было. Пользователи имели полный доступ к машинному языку, и все программы писали непосредственно в машинных кодах.

1 этап (50-е гг. XX в.)

Считается, что первую операционную систему создала в начале 50-х гг. для своих компьютеров исследовательская лаборатория фирмы GeneralMotors. Операционные системы 50-х гг. были разработаны с целью ускорения и упрощения перехода с задачи на задачи. До создания этих операционных систем много машинного времени терялось в промежутках между завершением выполнения одной задачи и вводом в решение следующей. Это было начало систем пакетной обработки, которые предусматривали объединение отдельных задач в группы, или пакеты. Запущенная в решение задача получала в свое полное распоряжение все ресурсы машины. После завершения каждой задачи управление ресурсами возвращалось операционной системе, которая обеспечивала ввод и запуск в решение следующей задачи.

В то время операционные системы использовались главным образом на крупных ЭВМ. Многие из малых машин общего назначения работали без операционной системы. Пользователи подобных малых машин, как правило, производили загрузку собственной системы управления вводом-выводом – небольшого пакета программ, управляющего осуществлением операций ввода-вывода.

2-й этап (60-е гг. ХХ в.)

В это время в технической базе вычислительных машин произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров. В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным операционным системам:

• мультипрограммирование[1];
• поддержка многотерминального многопользовательского режима;
• виртуальная память;
• файловые системы;
• разграничение доступа;
• работа в сети.

Мультипрограммные системы разделения времени были рассчитаны на многотерминальные системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом[2]. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, был нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного владения вычислительной машиной за счет периодического выделения каждой программе своей доли процессорного времени.

3-й этап (70-80-е гг. ХХ в.)

В начале 70-х. гг. появились первые сетевые операционные системы, которые в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, объединенными каналами связи. Любая сетевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

Важной вехой в истории операционных систем явилось создание операционной системы UNIX. Первоначально эта операционная система предназначалась для поддержания режима разделения времени в мини-компьютере. С середины 70-х. гг. началось массовое использование OCUNIX. К этому времени программный код для UNIX был в основном написан на языке высокого уровня Си. Широкое распространение эффективных Си-компьютеров сделало UNIX уникальной для того времени операционной системой, обладающей возможностью сравнительно легкого переноса на различные типы компьютеров. Поскольку эта операционная система поставлялась вместе с исходными кодами, то она стала первой открытой ОС, которую могли совершенствовать простые пользователи. Хотя UNIX была первоначально разработана для мини-компьютеров, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров: суперкомпьютерах, мэйнфреймах, мини-компьютерах, серверах и рабочих станциях, персональных компьютерах.

4 этап (с начала 90-х. гг. ХХ в. – по настоящее время)

В 90-е гг. практически все операционные системы, занимающие заметное место на рынке, стали сетевыми. В настоящее время сетевые функции встраиваются в ядро операционной системы, являясь ее неотъемленной частью. Операционные системы получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных и глобальных сетей, а также средства для создания составных сетей. В операционных системах используются специальные средства используются специальные средства, с помощью которых компьютеры могут поддерживать одновременную сетевую работу с разнородными клиентами и серверами. Появились специализированные операционные системы, которые предназначались исключительно для выполнения коммуникационных задач.

Во второй половине 90-х. гг. все производители операционных систем резко усилили поддержку работы с Internet: в комплект поставки начали включать утилиты, реализующие такие популярные сервисы Internet, как telnet, fip, WWWи др.