173 Kb

Департамент информатизации и связи Украины
Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова
Кафедра информационной безопасности и передачи данных
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПК
Методическое пособие
к практическим занятиям по курсу
«Технологии передачи дискретных сообщений»
Составил:
ст.преп. Филатов Г.Г.
Одесса 2011
Вступление
Аппаратная часть персонального компьютера является лишь одной из
его составляющих, работа аппаратной части невозможна без системы программ, т.е. «…набора операторов, который может быть представлен как единое целое в вычислительной системе и которое используется для управления
поведением этой системы» [1].
Аппаратные средства (hardware) и системы программного обеспечения
(software) – это единая система, обеспечивающая работу ПК. В свою очередь,
программное обеспечение
состоит из совокупности программ регулярного применения которые участвуют во всех операциях, выполняемых ПК (например операционная система) и программ нерегулярного применения, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику. Программное обеспечение (ПО) подразделяется на:
- системное программное обеспечение (СПО);
- прикладное программное обеспечение (ППО).
В свою очередь, системное программное обеспечение состоит из:
- операционной системы (operating system);
- сервисных программ (utility programs);
- инструментальных программ (software tools);
- систем техобслуживания (service engineering).
Системное ПО
Операционные
системы
MS- DOS
Сервисные
системы
Интерфейсн.
OS/2
Оболочки ОС
Unix
Утилиты
Windows
Инструментальн.
средства
Техобслужив.
системы
Трансляторы
Наладочные
Загрузчики
Диагностич.
Редакторы
Тестовые
Отладки
Рисунок 1. Состав системного программного обеспечения
2
1. Операционная система.
Операционная система (ОС) – это: «организованная совокупность
программ и данных, обеспечивающая взаимодействие пользователей и их
программ с аппаратными средствами ЭВМ». Это своего рода буферпередатчик между аппаратной частью ПК и остальными программами: это
диспетчер ресурсов, который определяет последовательность всех подлежащих выполнению операций. И соответствующих аппаратных средств – процессора, памяти, дисплея, принтера, клавиатуры и т.д., привлекаемых для
реализации этих операций:
- ОС принимает на себя сигналы – команды, которые посылают другие программы и «переводит» их на понятный аппаратной части ПК язык;
- ОС управляет всеми подключенными к ПК устройствами, обеспечивая доступ к ним других программ;
- ОС обеспечивает человеку – пользователю удобство работы с ПК.
Операционная система состоит из трех обязательных частей:
- ядра ОС – часть ОС, управляющая операциями, связанными с использованием ресурсов вычислительной системы. Это наиболее интенсивно
используемый участок ОС. Ядро занимается:
- обработкой прерываний;
- управлением процессами;
- распределением и перераспределением памяти;
- поддержкой функционирования файловой системы;
- поддержкой функций учета и диагностики работы ПК.
- драйверов – программ, используемых для сопряжения ядра ОС с аппаратными средствами. Это универсальные программы, реализующие:
- прием запросов от ОС на обращение к внешнему устройству;
- преобразует запросы и прерывания в команды для внешних устройств.
Как правило, ОС высокого уровня (Windows) содержит драйверы: мыши,
джойстика, клавиатуры, дисководов всех видов, жесткого диска, монитора,
звуковых колонок.
- интерфейсов – совокупности средств и правил, обеспечивающих логическое или физическое взаимодействие программ (программный). Устройство сопряжения или согласования (по уровням сигналов, сопротивления и
т.д.) прибора, устройств или электронных систем т.е. взаимодействием между двумя устройствами (аппаратный). Реализуется т.н. контроллером – устройством, обеспечивающим управление интерфейсом: адаптерами - устройствами, обеспечивающими аппаратную совместимость интерфейсов;
драйверами – программами, обеспечивающие логическую совместимость
интерфейсов.
Современная ОС обладает:
- многозадачностью – возможностью выполнения в один и тот же временной интервал сразу нескольких задач. Реализуются на принципе выделения
выполняемым задачам (программам) небольших квантов времени, в течение
которых все разрешенные для данной задачи ресурсы, процессора и внешних
устройств, принадлежат данной задаче. При переключении по сигналу тай3
мера на другую задачу все текущие данные, относящиеся к первой задаче,
сохраняются в специально выделенной памяти (стеке), а процессор начинает
выполнять другую задачу. Когда приходит время выполнения первой задачи,
ее ранее сохраненные текущие данные загружаются из стека, что создает видимость непрерывного выполнения задачи. Процессор продолжает выполнять прерванную задачу с того момента, когда она была отложена;
- многопользовательским режимом – т.е. поддержкой нескольких конфигураций для различных пользователей одновременно;
- разрядностью – максимальным числом бит, с которым может работать ОС
одновременно.
Функциональные характеристики ОС должны удовлетворять следующим эксплуатационным признакам:
1. Надежность. Она обеспечивается за счет избыточного кодирования, способного обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие в программах или
аппаратном обеспечении.
2. Защита понимается как защита пользователя от чужих ошибок и от попыток злонамеренного вмешательства, от конфликтных ситуаций, возникающих при одновременной попытке доступа к ресурсам от двух пользователей (двух программ).
3. Эффективность. Система ОС должна быть как можно более экономной,
в том числе иметь минимальное время простоя.
4. Дружественность. Способность гарантировать реакцию на любые действия пользователя (и его программ) в течение некоторого промежутка dt.
Выполнением этого требования является ОС реального времени.
5. Открытость. Способность ОС взаимодействовать с вновь появляющимися типами оборудования и программного обеспечения.
6. Мобильность. Способность ОС функционировать на различных типах
ЭВМ.
Операционные системы образуют определенную ступенчатую (по времени
появления и использования) структуру.
Нижней ступенью в ней является операционная система MS-DOS –
стандартная операционная система для компьютеров с микропроцессорами
Intel (8086). Эта система располагает набором программных средств для
обеспечения прогона программ в монопольном режиме. Основные возможности системы – управление файлами и устройствами ввода-вывода. Язык
программирования – ассемблер. Эта программа до сих пор используется в
составе программ более высокого уровня (Windows).
Операционная система OS/2 – однопользовательская, многозадачная
ОС, односторонне совместимая с ОС MS-DOS (MS-DOS → OS/2).
OS/2 может одновременно выполнять до 16 программ и располагает:
- многоканальным интерфейсом пользователя;
- программным интерфейсом для работы с базой данных;
- программными интерфейсами для работы в локальных вычислительных сетях;
4
- ограниченными по объему программными приложениями. Язык программирования – ассемблер.
Операционная система Unix – многопользовательская, многозадачная
система. ОС включает средства защиты программ и файлов различных пользователей. Используется язык С, что обеспечивает высокую мобильность ОС
и легкую переносимость прикладных программ на ПК различной архитектуры. Ее модульность и обширный набор сервисных программ создают благоприятную операционную обстановку для пользователей (прикладных программистов). Unix поддерживает иерархическую файловую структуру, виртуальную память, многооконный интерфейс, многопроцессорные системы,
многопользовательскую систему управления базами данных. OC Unix, ее
версия Linux, используется в сети Интернет, где важнейшее значение имеет
машинонезависимость операционной системы.
Операционная система Windows – многопользовательская, многозадачная, многопоточная ОС, содержит графический пользовательский интерфейс. Отличительными особенностями этой ОС являются:
- встроенная сетевая поддержка – она создавалась с учетом работы в вычислительной сети, поэтому в интерфейс пользователя встроены функции совместного сетевого использования файлов, устройств и объектов;
- приоритетная многозадачность, позволяющая приложениям с более высоким приоритетом вытеснять менее приоритетные приложения. Это приводит к более эффективному использованию машинного времени, ввиду автоматической ликвидации зависания системы при выполнении «сбойного»
приложения;
- наличия достаточно мощных средств защиты программ и файлов различных пользователей от несанкционированного доступа;
- наличие многоуровневого доступа к ресурсам путем назначения пользователям уровня доступа в соответствии с их компетенцией;
- поддержка нескольких файловых систем – кроме файловой системы
DOS, имеет собственную файловую систему (NTFS), поддерживает файловые системы OS/2(High Perfomanse FS) и компакт-дисков (CDFS);
- поддержка широкого спектра компьютерных платформ, в том числе и
мультипроцессорных вычислительных систем.
2. Программная среда
Системное программное обеспечение содержит, помимо ОС так же ряд
программ, обеспечивающих взаимодействие пользователя с программным и
аппаратными ресурсами ПК.
Сервисные системы расширяют возможности ОС, предоставляя пользователю набор дополнительных услуг:
- интерфейсные – сопряжение ОС с прикладными программами;
- оболочки ОС – реализует эффективный интерфейс с пользователем с помощью специальных программ – оболочек: Norton Commander, PC Tools,
PC Shell;
- утилиты – автоматизация выполнения отдельных типовых, часто используемых процедур. Выполняют:
5
1) обслуживание магнитных дисков (форматирование, сохранность,
восстановление разрушенных и ошибочно удаленных файлов, надежное удаление конфиденциальных данных);
2) обслуживание файлов (копирование, переименование, архивирование);
3) защита от вирусов.
Инструментальные программные средства предназначены для эффективной разработки и отладки программного обеспечения:
1) Текстовый редактор используется в ходе разработки, корректировки или
расширения других программ, включая средства написания программ
(текстовые редакторы). Позволяет формировать тексты программ в символах ASCII, контролировать синтаксис создаваемых программ;
2) Трансляторы используются для преобразования программ к виду, пригодному для выполнения их на ПК. Программы на алгоритмическом
языке для их выполнения должны быть переведены в машинный (двоичный) код.С ассемблера перевод осуществляется «транслятором», с языка
высокого уровня – «компилятором»;
3) Средства отладки позволяют реализовать контроль и отладку программ,
позволяющих выполнять пошаговое выполнение программы с выдачей
информации о результатах исполнения, производить проверку синтаксиса
и промежуточных результатов в точках останова. Используется программа
Turbo Debugger.
4) Загрузчик операционной системы предназначен для считывания в оперативную память при загрузке программного обеспечения двух файлов
DOS:
- модуля расширения BIOS - EM BIOS;
- модуля обработки прерываний BM DOS.
Размещается загрузчик на 0-й строке, 0-й дорожке в 1-м секторе жесткого диска. Вначале располагается служебная информация о BIOS, информация о структуре записей на диске и затем – программа загрузчик.
Системы технического обслуживания предназначены для проведения профилактических или ремонтных работ для исключения причин возникновения неисправностей в аппаратной части ПК или устранения уже произошедших неисправностей.
1) Диагностическая подпрограмма – это программа, переход к которой
осуществляется при обнаружении какой-либо ошибки в основной программе.
Программа анализирует причину возникновения ошибки или предоставляет
информацию, используемую для последующего анализа. В типичных случаях
диагностическая программа может предназначаться для локализации причины ошибки в конкретной аппаратной или программной подсистемах.
2) Тестовая программа – это проверка программы, осуществляемая в ходе
рабочего прогона с целью убедиться, работает ли программа так, как требуется. Программа выполняется с испытательными данными, а затем анализируется поведение программы в ответ на эти испытательные действия.
6
3. Базовая система ввода-вывода BIOS
Программным компонентом ПК является так же базовая система ввода – вывода – BIOS (Basic input-output system), которая не принадлежит ОС.
Система предназначена для запуска системы и основного аппаратного обеспечения Программа выполняет:
- инициализацию ПК – приведение в исходное состояние всех элементов
ПК при включении питания;
- пусковое тестирование – проверку комплектности и работоспособности
аппаратных и программных ресурсов ПК;
- инициализация ОС – считывание из системного диска загрузчика ОС;
- обработку программных и аппаратных прерываний нижнего уровня, выполняющих служебные процедуры и операции с внешними устройствами;
- управление внешними устройствами ввода-вывода с помощью драйверов, содержащихся в программе BIOS.
Реализуется системным модулем ROM BIOS, который программно
поддерживает стандартные устройства PC, конфигурирование аппаратных
средств, их диагностику и вызов загрузчика ОС. Модуль выполняет:
- инициализацию и начальное тестирование аппаратных средств программой
POST (Power on Self Test). Эта программа осуществляет проверки:
- регистров процессора;
- контрольной суммы BIOS;
- таймера;
- регенерации памяти и тестирование участков памяти: 1…64 Кб,
64…640 Кб, 1 Мб и выше;
- клавиатуры и ее интерфейса;
- контроллера прерываний, и его инициализацию, установку векторов
прерываний;
- батареи и контрольной суммы CMOS;
- видеоадаптера;
- режима защиты.
- настройка и конфигурирование аппаратных средств и системных ресурсов
CMOS Setup;
- автоматическое распределение системных ресурсов PnP BIOS (Plug-andPlay);
- идентификация и конфигурирование устройств PCI - PCI BIOS;
- начальная загрузка (протокол начальной загрузки) – первый этап загрузки
ОС – Boots-trap Loader;
- обслуживание аппаратных прерываний от системных устройств (таймера,
клавиатуры, …) – BIOS Hardware Interrupts;
- обработка базовых функций программных обращений (сервисов) к системным устройствам – BIOS Services;
- поддержка управляемости конфигурированием интерфейсом управления
рабочим столом – DMI BIOS;
- поддержка управления энергопотреблением и автоматического конфигурирования расширенным интерфейсом конфигурирования и питания – ACPI
BIOS.
4. Система прикладных программ
Прикладное программное обеспечение (application program) состоит
из системы конкретных программ, способствующих выполнению определен7
ных задач, возложенных на ПК в пределах данной организации, и вносящая
прямой вклад в реализацию этой задачи. Для этого система прикладного программного обеспечения включает в свой состав проблемные прикладные
программы пользователя и пакеты прикладных программ (ППП), ориентированные в определенной проблемной области. Пакеты прикладных программ
подразделяются на две группы.
1.
Проблемно – ориентированные. Они формируют информационную и аналитическую среду для реализации функциональных программ
управления. Задачи, решаемые проблемно – ориентированными ППП включают:
- текстовые редакторы, текстовые процессоры, издательские системы;
- графические редакторы и средства деловой графики;
- крупноформатные электронные таблицы;
- программы управления телекоммуникационными системами;
- информационно – поисковые и экспертные системы;
- автоматизированные обучающие системы;
- системы автоматизированного проектирования;
- статистической обработки информации;
- математического программирования;
- интегрированные ППП, включающие в свой состав несколько видов
проблемно – ориентированных пакетов.
Названные информационные процедуры характерны для офиса предприятия, поэтому их называют офисными.
2. Функционально – ориентированные. Они обеспечивают реализацию тех или иных конкретных функций управления предприятия, фирмы,
корпорации. Поэтому носят название корпоративных.
Упрощенная схема структурной организации программного обеспечения представлена на рис. 2.
5. Базы данных
Достаточно часто в коммерческих фирмах и банковской сфере на ПК
возлагается еще одна, достаточно специфическая функция – работа в режиме
базы данных. В этом случае к существующему программному обеспечению
добавляется еще одна, независимая от ОС ПК, но активно ее использующая
система программного обеспечения базы данных.
Это - система программного обеспечения базы данных, реализуемая
так же на ПК с использованием всех его программных составляющих.
База данных (database) – набор взаимосвязанных данных, зачастую с
управляемым дублированием, организованных в соответствии со схемой для
обслуживания одного или нескольких приложений. Данные хранятся так,
чтобы они могли быть использованы различными программами пользователей безотносительно к структуре или организации данных. База данных может содержать в себе информацию, связанную с организацией или проектом,
например результаты научного исследования. Для реализации этих процедур
существует отдельная система управления базой данных – СУБД (database
management system), независимая от ОС но использующая некоторые программы управления файлами, принадлежащие ОС.
8
Проблемно-ориентир.
ППП
Система
техобслуживания
Инструментальные
средства
Сервисная
система
Прикладные
программы
Программная
среда
Функционально-ориентир.
ППП
ПУСК
BIOS
Операционная
система
POST
Ядро
BIOS Setup
Базы данных
СУБД
Драйверы
1
2
. . .
Plug-and-Play
n
PCI BIOS
Boots-trap Leader
Аппаратные
средства
Средства ввода/вывода
Память
Управления
BIOS Services
Рисунок 2.Структурная организация программного обеспечения ПК
Адаптеры
9
СУБД – это система программного обеспечения, имеющая средства обработки на языке базы данных, позволяющие обрабатывать обращения к базе
данных, которые поступают от прикладных программ и конечных пользователей и поддерживать целостность базы данных. Это программное обеспечение управляет доступом к базе данных (Рис. 3):
1)
Пользователь выдает запрос на доступ, применяя язык данных
типа SQL (structured query language) – язык, позволяющий создавать запросы
к реляционным базам данных, обновлять эти базы данных и управлять ими;
2)
СУБД перехватывает этот запрос и анализирует его. Для этого
СУБД использует компонент «языкового процессора» для различных языков
определения данных и понимает синтаксис языка определения данных.
СУБД включает в себя компонент процессора языка обработки данных –
планируемых и не планируемых. Планируемые – предусмотренные заранее
(программно).
3)
СУБД просматривает внешнюю схему для пользователя, концептуальную схему (представление всей информации базы данных в абстрактной форме ). С помощью программ – переходов: внешний – концептуальный,
концептуальный – внутренний, производится преобразование данных, поступающих от пользователей (в различных языковых отображениях), в хранимые данные (рис.3).
4)
СУБД контролирует пользовательские запросы и пресекает попытки нарушения правил безопасности и целостности данных.
5)
СУБД содержит утилиты, используемые для выполнения административных задач по:
- загрузке – созданию первоначальной версии базы данных из одного
(или больше) файла, принадлежащих базе данных;
- выгрузки- перезагрузки – выгрузки базы данных (или части ее), дублирования памяти с целью восстановления в случае повреждения;
- реорганизации – перераспределения данных на жестком диске с целью, например, группирования их по определенным признакам, освобождения пространства памяти;
- статистике – сбор статистики о процедурах, выполненных в базе данных;
- анализу – статистических данных и формирования результатов (выводов) по статистике.
В системе взаимодействия СУБД – ОС операционная система должна
отвечать определенным требованиям: использоваться комбинация MS DOS 7
и Windows и программа клиент/сервер – программа распределенной обработки данных в среде со многими пользователями.
10
Пользов. А1 . . .
Пользов. Аn
Пользов. Б1
Пользов. Б2 . . . Пользов. Бn
Базов. язык
+ язык дан.
Базов. язык
+ язык дан.
Базов. язык
+ язык дан.
Базов. язык
+ язык дан.
Внешн. предст.
А
Базов. язык
+ язык дан.
Внешн. представл.
Б
Утилиты
Отображение
Внешний – концептуалн. А
Отображение
Внешний – концептуальн. Б
Концептуальное представление
Отображение
концептуальное – внутреннее
Хранимая база данных
(внутреннее представление)
СУБД
Рисунок 3. Схема взаимодействия СУБД с
пользователями
11
Вопросы на закрепление материала пособия
1. Какова основная роль операционной системы в ПК?
2. Зачем нужны сервисные системы?
3. Какова основная задача инструментальных средств по отношению к
операционной системе?
4. Зачем нужна система BIOS в ПК?
5. В чем состоит различие операционных систем MS-DOS и OS/2?
6. Чем отличается ОС Windows от MS-DOS, OS/2, Unix?
7. Различие между проблемно и функционально ориентированными
пакетами прикладных программ?
8. Сколько ОС должно использоваться в СУБД?
Вопросы на основе анализа материала пособия.
Что общего у программ технического обслуживания и BIOS, и в чем
их различие?
1. Что общего у программ сервисной системы и инструментальных
средств, в чем их различие?
2. Что общего и в чем различие драйвера и интерфейса?
3. Что общего и в чем состоит различие диагностической и тестовой
программ?
4. Задачи тестовой программы системы технического обслуживания и
программы POST одинаковы?
Литература.
1. В.Л. Бройдо. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации.
Учебник для ВУЗ’ов. «Питер», 2002 г.
2. Вильям Столингс. Операционные системы. Внутреннее устройство и
принципы проектирования. «Вильямс», 2004 г.
3. К.Дейт. Введение в системы баз данных. «Диалектика», 1998 г.
4. Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК. «Вильямс», 2005 г.
Компьютерная верстка
Корнейчук Е. С.
Сдано в набор 25.05.2011 Подписано к печати 03.06.2011
Формат 60/88/16 Зак. № 4565
Тираж 100 экз. Объем: 0,75 печ. л.
Отпечатано на издательском оборудовании фирмы RISO
в типографии редакционно-издательского центра ОНАС им. А.С. Попова
ОНАС, 2011
12