2.1.3. Программное обеспечение.
В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д.
Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.
Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела соответствующую документацию. Поэтому, относительно работы на компьютере часто используют термин программное обеспечение (software), под которым понимают совокупность программ, процедур и правил, а также документации, касающихся функционирования системы обработки данных.
В общей архитектуре современных ЭВМ программное обеспечение (ПО; Software - "мягкое обеспечение") является наиболее гибкой ее компонентой, обеспечивающей не только функционирование аппаратной компоненты (Hardware) в различных режимах, но и развитый интерфейс с пользователем в процессе подготовки, отладки и решения его задач. Программная среда является своего рода оболочкой аппаратной среды, расширяющей ее возможности и с которой пользователь работает непосредственно на основе тех или иных программных средств (ПС).
Под Программным Обеспечением будем понимать совокупность ПС для ЭВМ и их систем любого класса и типа, обеспечивающих функционирование, диагностику и тестирование их аппаратных средств, а также разработку, отладку и выполнение любых задач пользователя с соответствующим документированием, где в качестве пользователя может выступать как человек, так и любое периферийное устройство, подключенное к ЭВМ и нуждающееся в ее вычислительных ресурсах. Таким образом, ПО служит интерфейсом между аппаратными ресурсами ЭВМ/ВС и проблемной средой, определяя логические возможности и применимость ВС, обеспечивая адаптационные возможности систем обработки информации при изменениях как аппаратных средств ВТ, так и требований предметной области.
Основные этапы развития ПО:
Программирование для ЭВМ 1-го поколения велось в кодах машины и пользователь при решении своей задачи получал в свое распоряжение все ресурсы, работая с ними напрямую.
Первые операционные системы (OS), появившиеся в конце 40-х годов и представляющие собой наборы простых программ ввода/вывода суммарным объемом в несколько сотен команд, не изменили сути дела, т.к. пользователи либо знали их наизусть, либо для своих целей создавали собственные сервисные ПС. Пользователи составляли узкий достаточно замкнутый круг специалистов и были хорошо знакомы с архитектурой ЭВМ, системой ее команд и режимами ее функционирования; программирование и отладка программ велись в кодах ЭВМ, как правило, непосредственно за ее пультом, отображающим состояние всех основных компонент (регистров, ОП, и др.); решаемые задачи в массе своей были сугубо научными и носили вычислительный характер.
В середине 50-х годов большинство ЭВМ 2-го поколения работало под управлением OS, обеспечивающих пакетный режим обработки: система собирала программы, подготовленные разными пользователями, и быстро выполняла их одну за другой, сокращая накладные издержки оператора и лучше планируя вычислительные ресурсы машины. Таким образом, OS уже в значительной мере осуществляли интерфейс между логическим уровнем пользователя и физическим уровнем аппаратуры. OS этого периода назывались супервизорами или мониторами, дополнительно к своей основной функции загрузки программ, распределяя оперативную память, обслуживая процессор и управляя вводом/выводом. Многие из OS данного периода включали библиотеки стандартных и часто используемых процедур и программ, а также трансляторы с первого языка программирования высокого уровня(ЯВУ) Fortran, разработанного и внедренного в фирме IBM в 1956 г.
На данном этапе развития ПО пользователь отделяется от непосредственного интерфейса с ЭВМ посредством ЯВУ с их трансляторами, 0S с пакетным режимом обслуживания и операторским обслуживанием. Прежде всего, появление более развитого системного ПО (СПО) позволило автоматизировать многие функции по обеспечению работы пользователя с ВС, существенно снизив требования к его квалификации в области знания архитектурной организации аппаратной части ВС. Важным следствием этого явилась возможность существенного расширения круга пользователей ЭВМ за счет упрощения интерфейса с ними, освободив от целого ряда специальных знаний по ЭВМ и снабдив его рядом важных ПС (библиотеки стандартных программ, ЯВУ с трансляторами и др.),позволивших снизить требования к специальным знаниям по ВТ, сложность архитектуры и организации которой существенно возросла к этому времени.
В начале 60-х годов появились первые OS с разделением времени, которые позволили ЦП переключать обслуживание с одной задачи на другую, создавая иллюзию одновременной работы с ЭВМ многих пользователей. Наиболее бурное развитие OS данного периода началось с появлением ЭВМ 3-го поколения, имеющих аппаратную поддержку основных элементов функционирования OS: системы прерываний, средств защиты ОП от несанкционированного доступа, а также развитую систему ввода/ вывода, развитые средства микропрограммирования и др. При создании подобных систем возник и был успешно решен ряд важных проблем, позволивших обеспечить разделение во времени основных ресурсов ЭВМ. Решение этих проблем привело к разработке механизмов синхронизации параллельных процессов, виртуальной памяти и системы ввода/вывода, а также интерактивных командных языков. Наряду с этим, OS данного периода включали достаточно большое число различного назначения ЯВУ (Fortran, Algol, Basic, PL/1 и др.), позволяющих пользователю решать разнообразные задачи из различных областей.
Лишь 4-е поколение, в недрах которого появилась персональная компьютерная технология на базе ПК, позволило вновь приблизить массового пользователя к вычислительным ресурсам, но не к самой аппаратной среде. И если первые ПК, имеющие очень простые операционные среды, еще позволяли пользователю брать на себя некоторые функции по управлению основными ресурсами, то с ростом мощности ПК (превосходящими по возможностям ЭВМ общего назначения 3-го поколения) происходило усиление оболочки ПО не только за счет усложнения OS, но и в связи с появлением оболочек для самих OS. Такие оболочки и среды, например MS Windows, используя OS в качестве программного ядра, существенно повышают уровень интеллектуальности интерфейса пользователь-ЭВМ, вместе с тем еще больще отдаляя его от аппаратной компоненты. Учитывая массово-персональный характер использования ПК, такое решение является единственно верным - физически максимально приблизив вычислительные ресурсы к пользователю, максимально удалить от него внутреннюю кухню ПК (его аппаратную среду + ПО), повысив уровень логического интерфейса с ней.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
При построении классификации ПО нужно учитывать тот факт, что стремительное развитие вычислительной техники и расширение сферы приложения компьютеров резко ускорили процесс эволюции программного обеспечения. Если раньше можно было по пальцам перечислить основные категории ПО — операционные системы, трансляторы, пакеты прикладных программ, то сейчас ситуация коренным образом изменилась. Развитие ПО пошло как вглубь (появились новые подходы к построению операционных систем, языков программирования и т.д.), так и вширь (прикладные программы перестали быть прикладными и приобрели самостоятельную ценность). Соотношение между требующимися программными продуктами и имеющимися на рынке меняется очень быстро. Даже классические программные продукты, такие, как операционные системы, непрерывно развиваются и наделяются интеллектуальными функциями, многие из которых ранее относились только к интеллектуальным возможностям человека. Кроме того, появились нетрадиционные программы, классифицировать которые по устоявшимся критериям очень трудно, а то и просто невозможно.
системное - управляет всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой, в частности, пользователем (операционные системы, системные утилиты и т.д.)
инструментальное - предназначено для создания оригинальных ПС в любой проблемной области (системы программирования, средства редактирования, отладки и тестирования и т.д.)
прикладное - составляют пакеты прикладных программ (ППП), предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей, а также менее крупные программы-утилиты, преследующие более узкие, но достаточно важные цели снижения трудоемкости и повышения эффективности работы проблемного пользователя (Текстовые и табличные процессоры, СУБД и т.д.)
Установка ПО
Для установки любого программного обеспечения компьютера необходимо знать его аппаратные и программные (системные) требования, которые обычно указываются производителем в справочной документации по установке. Как правило в системных требованиях указывается модель процессора и его тактовая частота, необходимый объем оперативной памяти, объем, который займет программа на винчестере, дополнительные устройства, необходимые для функционирования программы, список поддерживаемых ОС, дополнительные необходимые программы и т.д.
Корректную установку и удаление программ в ОС обеспечивает специальный класс программ - инсталляторы, которые отслеживают информацию об установке и заносят ее в системные настройки. Например, в различных версиях Windows используются, как правило, инсталляторы InstallShield, Windows Installer, которые запускают мастер установки и позволяют удалить программу с помощью приложения Установка и удаление программ
Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией. Между программами существует взаимосвязь, то есть работа множества программ базируется на программах низшего уровня.
Междупрограммный интерфейс - это распределение программного обеспечения на несколько связанных между собою уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду, где каждый высший уровень базируется на программном обеспечении предшествующих уровней. Схематично структура программного обеспечения приведена на рис. 1.
Прикладной уровень
Служебный уровень
Системный уровень
Базовый уровень
Базовый уровень
Базовый уровень является низшим уровнем программного обеспечения. Отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Базовое программное обеспечение содержится в составе базового аппаратного обеспечения и сохраняется в специальных микросхемах постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), образуя базовую систему ввода-вывода BIOS. Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время эксплуатации.
Системный уровень
Системный уровень - является переходным. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие других программ компьютера с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы. При подсоединении к компьютеру нового оборудования, на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для остальных программ взаимосвязь с устройством. Конкретные программы, предназначенные для взаимодействия с конкретными устройствами, называют драйверами.
Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря ему, можно вводить данные в вычислительную систему, руководить ее работой и получать результат в удобной форме. Это средства обеспечения пользовательского интерфейса, от них зависит удобство и производительность работы с компьютером.
Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Наличие ядра операционной системы - это первое условие для возможности практической работы пользователя с вычислительной системой. Ядро операционной системы выполняет такие функции: управление памятью, процессами ввода-вывода, файловой системой, организация взаимодействия и диспетчеризация процессов, учет использования ресурсов, обработка команд и т.д.
Служебный уровень
Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Назначение служебных программ (утилит) состоит в автоматизации работ по проверке и настройки компьютерной системы, а также для улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (программы обслуживания) сразу входят в состав операционной системы, дополняя ее ядро, но большинство являются внешними программами и расширяют функции операционной системы. То есть, в разработке служебных программ отслеживаются два направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование.
Классификация служебных программных средств
1. Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С их помощью выполняется большинство операций по обслуживанию файловой структуры: копирование, перемещение, переименование файлов, создание каталогов (папок), уничтожение объектов, поиск файлов и навигация в файловой структуре. Базовые программные средства содержатся в составе программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой
2. Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов. Архивные файлы имеют повышенную плотность записи информации и соответственно, эффективнее используют носители информации.
3. Средства диагностики. Предназначены для автоматизации процессов диагностики программного и аппаратного обеспечения. Их используют для исправления ошибок и для оптимизации работы компьютерной системы.
4. Программы инсталляции (установки). Предназначены для контроля за добавлением в текущую программную конфигурацию нового программного обеспечения. Они следят за состоянием и изменением окружающей программной среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей, утерянных во время уничтожения определенных программ. Простые средства управления установлением и уничтожением программ содержатся в составе операционной системы, но могут использоваться и дополнительные служебные программы.
5. Средства коммуникации. Разрешают устанавливать соединение с удаленными компьютерами, передают сообщения электронной почты, пересылают факсимильные сообщения и т.п..
6. Средства просмотра и воспроизведения. Преимущественно, для работы с файлами, их необходимо загрузить в "родную" прикладную программу и внести необходимые исправления. Но, если редактирование не нужно, существуют универсальные средства для просмотра (в случае текста) или воспроизведения (в случае звука или видео) данных.
7. Средства компьютерной безопасности. К ним относятся средства пассивной и активной защиты данных от повреждения, несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных. Средства пассивной защиты - это служебные программы, предназначенные для резервного копирования. Средства активной защиты применяют антивирусное программное обеспечение. Для защиты данных от несанкционированного доступа, их просмотра и изменения используют специальные системы, базирующиеся на криптографии.
Прикладной уровень
Программное обеспечение этого уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых выполняются конкретные задачи (производственных, творческих, развлекательных и учебных). Между прикладным и системным программным обеспечением существует тесная взаимосвязь. Универсальность вычислительной системы, доступность прикладных программ и широта функциональных возможностей компьютера непосредственно зависят от типа имеющейся операционной системы, системных средств, помещенных в ее ядро и взаимодействии комплекса человек-программа-оборудование.
|
