Программное обеспечение вычислительной системы

 

Программное обеспечение  вычислительной системы

 

Программное и аппаратное обеспечение  в компьютере работают в неразрывной  связи и в непрерывном взаимодействии. Между программами, как и между  физическими узлами и блоками  существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня. Уровни программного обеспечения (ПО) представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение  предшествующих уровней (рис.1).           

 

Рис.1. Уровни программного обеспечения вычислительной системы

 

Базовый уровень

Самый низкий уровень  ПО. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами и, как правило, входит в состав базового оборудования и хранится в микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами: ПЗУ – ROM (Read Only Memory). В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые ПЗУ: ППЗУ – ERROM. Изменение содержания ПЗУ можно выполнять либо непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология), либо вне ее, с помощью программаторов.

 

Системный уровень

Является переходным уровнем. Программы, работающие здесь, обеспечивают взаимодействие прочих программ вычислительной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением.

Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными  устройствами, называются драйверами устройств – входят состав ПО этого уровня. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Такие программы называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них зависит удобство работы с компьютером и производительность труда. Совокупность ПО системного уровня образует ядро операционной системы (ОС).

 

Служебный уровень

Программы этого уровня взаимодействуют как с ПО базового уровня, так и с ПО системного уровня. Их называют утилиты. Основное назначение утилит состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Некоторые утилиты входят в состав ОС, но большинство их них являются для ОС внешними и служат для расширения ее функций.

 

Прикладной  уровень

ПО прикладного уровня – это комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк: от производственных до творческих и развлекательно-обучающих.

Можно назвать следующие  виды прикладного ПО:

1. Текстовые редакторы – ввод и редактирование текстовых данных.
2. Текстовые процессоры – позволяют форматировать (оформлять) текст.
3. Графические редакторы – создание и обработка графических изображений. Бывают растровые, векторные и 3D-редакторы.
4. Системы управления базами данных – создание, заполнение, доступ к данным, а также поиск и фильтрация данных.
5. Электронные таблицы –  для хранения и обработки числовых данных.
6. Системы автоматизированного проектирования – для автоматизации проектно-конструкторских работ.
7. Настольные издательские системы – для автоматизации процесса верстки полиграфических изданий.
8. Экспертные системы – для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя.
9. Web-редакторы – для создания и редактирования Web-страниц Интернета.
10. Браузеры – для просмотра Web-документов.
11. Интегрированные системы делопроизводства – для автоматизации рабочего места руководителя.
12. Финансовые аналитические системы – используются в банковских и биржевых структурах.
13. Геоинформационные системы – для автоматизации картографических и геодезических работ.
14. и.т.д.

 

Системное программное  обеспечение

 

Системное программное  обеспечение (System Software) – программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует технические средства компьютера, и применяемые как для автоматизации создания новых программ, так и для организации выполнения программ существующих. С этих позиций системное ПО может быть разделено на следующие пять групп:

1. Операционные системы.
2. Системы управления файлами.
3. Интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС и программные среды..
4. Системы программирования.
5. Утилиты.

 

Под операционной системой обычно понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой – предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой из компонентов прикладного ПО обязательно работает под управлением ОС.

 

Основными функциями, которые выполняет ОС являются следующие:

• прием от пользователя заданий или команд;
• прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ;
• загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;
• инициация программы (передача ей управления для исполнения процессором этой программы);
• идентификация всех программ и данных;
• обеспечение работы систем управлений файлами;
• обеспечение режима мультипрограммирования (выполнение двух или более программ на одном процессоре);
• обеспечение функций по организации и управлению  операциями ввода/вывода;
• удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени;
• распределение реальной памяти и организация виртуальной памяти;
• планирование и диспетчеризация задач, в соответствии с заданными стратегиями и дисциплинами обслуживания;
• организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;
• предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;
• обеспечение работы систем программирования.

 

Назначение системы управления файлами – организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Как правило, все современные ОС имеют в своем составе эту систему. Выделение ее в отдельную категорию обусловлено тем, что ряд ОС могут работать с несколькими файловыми системами. В этом случае говорят о монтируемых файловых системах, в этом смысле они самостоятельны.

Для удобства взаимодействия с ОС могут использоваться дополнительные интерфейсные оболочки. Их основное назначение – либо расширить возможности по управлению ОС, либо изменить встроенные в систему возможности. Ряд ОС могут организовать выполнение программ, созданных для других ОС. К этому же классу системного ПО можно отнести и эмуляторы, позволяющие смоделировать в одной ОС какую-либо другую машину или ОС. Известна система эмуляции VMWARE, которая позволяет запустить в среде Linux любую другую ОС, например Windows.

Система программирования предназначена для автоматизации создания новых программ. Она содержит транслятор с соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Любая система программирования может только работать в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.

Под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно как обслуживать саму ОС, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить некоторые другие работы, связанные обслуживанием вычислительной системы.

 

 

Основные понятия  теории операционных систем

 

Операционная система:

• выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе;
• распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами;
• образует программную (операционную)  среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей.

 

Параллельное существование  терминов «операционная система» и «операционная среда» вызвано тем, что ОС может в общем случае поддерживать несколько операционных сред. Можно сказать , что операционная среда – это то системное программное окружение, котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.

 

Понятие вычислительный процесс или просто процесс является одним из основных при рассмотрении ОС. Последовательный процесс может включать в себя несколько задач. Задачей называют единицу работы, для выполнения которой предоставляется центральный процессор.

Примеры процессов:

• выполнение прикладных программ пользователей;
• редактирование текста;
• трансляция исходной программы;
• компоновка объектного модуля;
• исполнение загрузочного модуля;
• и.т.д.

Определение концепции  процесса необходимо для выработки механизмов распределения и управления ресурсами.  Понятие ресурса – это также основное понятие ОС. Ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы бывают:

1. Делимые:

1. используемые одновременно;
2. используемые параллельно.

2. Неделимые.

 

При разработке первых ОС ресурсами считались:

• процессорное время;   
• память;
• каналы ввода/вывода;                  
• периферийные устройства.

 

Например, внешняя память может разделяться одновременно, а доступ к ней – попеременно. Внешние устройства прямого доступа могут использоваться параллельно, а последовательного доступа, например принтер, не может считаться разделяемым ресурсом.

В настоящее время  понятие ресурса превратилось в  абстрактную структуру с целым  рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представление в системе. Кроме системных ресурсов, как ресурс стали толковать и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Но все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода/вывода. Поэтому был организован мультипрограммный (многозадачный) режим работы вычислительной системы. Суть его состоит в том, что пока один процесс (задача) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая задача может быть поставлена на решение.

 

Ресурс может быть выделен задаче, обратившейся к супервизору  ОС, если:

• он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;
• текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;
• ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран.

 

В обычных ОС процесс  появляется при запуске какой-нибудь программы. Он всегда находится в активном состоянии. В ОС реального времени многие процессы могут находиться  в состоянии бездействия, т.е. находятся в пассивном состоянии.

Активный процесс, в  свою очередь, может быть в одном  из следующих состояний:

• выполнения (running) – все затребованные процессом ресурсы выделены. В таком состоянии в однопроцессорной вычислительной системе находиться только один процесс;
• готовности к выполнению (ready) – ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдет в состояние выполнения;
• ожидания (блокирования – blocked) – затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или не завершена операция ввода/вывода.

 

За время своего существования  процесс может неоднократно совершать  переходы из одного состояние в другое. Возможные переходы процесса изображены в виде графа состояний на рис. 2.