Лекция 12. Программное обеспечение ЭВМ

В общей архитектуре современных ЭВМ и их систем (ВС) программное обеспечение (ПО; Software) является наиболее гибкой ее компонентой, обеспечивающей не только функционирование аппаратной компоненты (Hardware) в различных режимах, но и развитый пользовательский интерфейс в процессе подготовки, отладки и решения его задач. Программная среда является своего рода оболочкой аппаратной среды, распространяющей ее возможности и с которой пользователь работает непосредственно на основе тех или программных средств (ПС).

Совокупность архитектур аппаратной (Hardware) и программной сред (Software) образует общую архитектуру ЭВМ (рис.12.1), определяющую сферу приложений и сам пользовательский интерфейс с проблемной средой (предметной областью), определяемой совокупностью всевозможных задач, нуждающихся в вычислительных ресурсах.

Рис.12.1.Интерфейс проблемной среды с аппаратно-программной средой

Ниже под ПО 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.

Схему современного интерфейса проблемной среды пользователя с аппаратно-программной средой ВС можно представить рис.12.1. Из представленной схемы следует, что программное обеспечение содержит три всеохватывающие компоненты: системное ПО (СПО), инструментальное ПО (ИПО) и прикладное ПО (ППО). В свою очередь, составляющие ПО ЭВМ компоненты допускают дальнейшую детализацию, представленную на рис.12.2, вкратце охарактеризуем состав и функциональное назначение отдельных элементов такого подразделения.

Рис. 12.2. Структура программного обеспечения ЭВМ

Системное ПО (СПО) управляет всеми ресурсами ЭВМ (ЦП, ОП, ВУ, пользователь) и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой, в частности с пользователем. СПО включает операционные системы (ОС), средства расширения функций ОС, операционные оболочки (ОО) и средства тестирования и диагностики ЭВМ. ОС предназначена для управления всеми ресурсами, обеспечивая логический уровень интерфейса проблемной среды с аппаратной. ОС обеспечивает поддержку работы всех программных средств и их взаимодействие с аппаратными ресурсами, а также функции общего управления работой ЭВМ.

Различные классы и типы ЭВМ используют различные архитектуры, структуры и возможности ОС, которые требуют для своего функционирования различные ресурсы и которые предоставляют пользователю различного уровня сервис для работы с ПО. В качестве примеров ОС можно привести MS-DOS, Unix,OS/2, Novel, Cray и т.д. При этом, если для микро-ЭВМ (кроме специализированных), ПК, мини-ЭВМ и в значительной степени ЭВМ общего назначения четко прослеживается тенденция к унификации ОС (платформы MS-DOS, Unix), то супер-ЭВМ в значительной степени исповедуют оригинальные ОС.

Средства расширения функций ОС достаточно многочисленны, их набор и функциональные возможности определяются конкретным типом ОС (оптимизация использования ВП, подготовка и тестирование магнитных носителей, поддержка расширенных функций с файлами и др.). Средства данной группы могут быть реализованы как на уровне отдельных программ утилит, так и в виде специальных пакетов (пакеты для сжатия/восстановления файлов, антивирусные пакеты и др.). Утилиты могут быть реализованы на трех основных уровнях: резидентном, системном и автономном. В первом случае утилита загружается и становится резидентной, обеспечивая в оперативном режиме выполнение заложенных в ней функций (например, вывод информации о текущих резидентных программах); во втором случае утилита работает под управлением ОС как прикладная программа, а в третьем ¾ работа утилиты производится вне операционной среды (такой уровень присущ ряду ПС тестирования и диагностики ЭВМ и отдельных ее узлов, включая ВУ). Утилиты во многих случаях помогают существенно повысить эффективность ЭВМ и удобство работы с ними. Утилиты чаще всего позволяют выполнять следующие функции: обслуживание дисков, файлов и каталогов, создание и обновление архивов, предоставление информации о ресурсах компьютера, о дисковом пространстве, о распределении ОЗУ между программами, печать текстовых и других файлов в различных режимах и форматах, защита от компьютерных вирусов.

Из утилит, получивших наибольшую известность, можно назвать многофункциональный комплекс Norton Utilities.

Средства тестирования и диагностики в целом составляют средства технического обслуживания ЭВМ и предназначены для проверки работоспособности, наладки и технической эксплуатации; эти средства используются инженерно-техническим персоналом, обслуживающим ВТ. Персональный характер использования и высокая надежность основных узлов ПК не предполагают для него специальной службы обслуживания, исключая возникновение неисправностей технического характера. Поэтому после включения ПК аппаратными средствами тестируется ОП и дополнительная память, и только потом производится загрузка ядра ОС. Для тестирования и диагностики узлов ПК и ВУ предназначен ряд ПС (пакеты CheckIt, Crosh-Chex и др.).

Операционные оболочки (ОО) на первых этапах своего развития служили как для расширения функций ОС, так и для повышения уровня интерфейса с ЭВМ путем упрощения доступа к средствам ОС. В случае ПК развитие ОО шло с акцентом на непрофессионального пользователя. Среди таких ОО следует указать Norton Commander, совместно с Norton Utilities образующие до появления Windows-оболочки эффективное средство подобного типа. Графическая среда Windows фирмы Microsoft, появившаяся в 1990г., оказала революционизирующее влияние на развитие интерфейса с ЭВМ, определив новое поколение ОО для ПК и в значительной мере определив на ближайшее десятилетие тенденции развития операционной среды ЭВМ.

Инструментальное ПО (ИПО) предназначено для создания оригинальных ПС в любой проблемной области, включая СПО. Поэтому в его состав входят компиляторы и интерпретаторы с языков программирования различного уровня, библиотеки стандартных программ (БСП), средства редактирования, отладки, тестирования и загрузки, а также системы программирования (СП).Под языком программирования (ЯП) будем понимать алфавит, систему записи и набор правил, определяющих синтаксис правильной программы. Текст алгоритма задачи, описанный средствами ЯП, будем называть исходным модулем Средством, предназначенным для перевода исходного модуля в последовательность команд ЭВМ, является специальная программа. Имеются два типа таких программ ¾ компиляторы и интерпретаторы. Компилятор транслирует весь тип исходного модуля в машинный код, называемый объектныммодулем за один непрерывный процесс. Объектныймодуль выполняться не может, т.к. может содержать неразрешенные ссылки на другие модули или программы, а также перемещаемый код. Поэтому перед выполнением программы ее объектный модуль должен быть обработан специальной программой ¾ редактором связей (разрешающей все внешние ссылки и создающей загрузочный модуль) и загрузчиком (определяющим для загрузочного модуля абсолютные адреса в ОП); после этого программа уже может выполняться. Таким образом, общая схема преобразования исходной программы в выполняемый загрузочный модуль имеет вид:

(ИМ, ОМ, ЗМ ¾ соответственно исходный, объектный, загрузочный модуль).

В ряде случаев функции редактора связей и загрузчика может выполнять одна программа ¾ редактирующий загрузчик; такой подход использован в ряде систем программирования, например в Turbo-Pascal.

В отличие от компилятора интерпретатор выполняет исходный модуль программы в режиме “оператор за оператором”, по ходу работы превращая каждый оператор ЯВУ в машинные команды. В принципе реализация любого ЯВУ может быть как компилирующего, так и интерпретирующего типа. Однако в силу сложившихся традиций каждый ЯВУ отдает предпочтение одному из указанных типов реализации. Основным преимуществом ЯВУ компилирующего типа является скорость выполнения загрузочного модуля скомпилированной исходной программы, тогда как интерпретатор должен генерировать последовательность машинных команд в момент выполнения оператора ЯВУ, что замедляет время ее выполнения. Однако в целом ряде случаев ЯВУ интерпретирующего типа более предпочтительны; они хорошо отвечают программам диалогового типа, отладка программ производится без выхода из интерпретатора, что существенно упрощает эту процедуру и сокращает временные издержки на нее, ибо каждый раз не требуется перетрансляции скорректированного исходного модуля.

Системы программирования (СП) представляют собой интегрированные инструментальные средства, обеспечивающие все основные функции по разработке программ: создание и редактирование исходных модулей, компиляция или интерпретация, создание загрузочных модулей и их выполнение, отладка, тестирование, сохранение, документирование и т.д.

Прикладное ПО (ППО) составляют пакеты прикладных программ (ППП), предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей. ППП создают для решения наиболее массовых научно-технических, инженерных, экономических и других задач; суть большинства ППП состоит в максимальном упрощении интерфейса с ЭВМ проблемного пользователя. ППП можно условно классифицировать по четырем основным группам: общего назначения, проблемно-ориентированные, интегрированные и расширяющие функции ОС.

ППП общего назначения ориентированы на широкий круг пользователей в различных проблемных областях, позволяя автоматизировать наиболее часто используемые функции и работы. К пакетам такого типа относятся пакеты обработки текстовой информации, деловой графики, электронных таблиц и т.д.

Проблемно-ориентированные ППП имеют достаточно-узкое применение, используя особые методы представления и обработки информации, учитывающие специфику поддерживаемых задач пользователя. Для наиболее важных приложений, например в САПР, создаются типовые пакеты, удовлетворяющие требованиям большого числа специалистов (например,CorelDraw, MathCAD).

Расширяющие функции ОС пакеты определяют достаточно широкий спектр ПС. Из них отдельную группу составляют пакеты, обеспечивающие сопряжение ЭВМ с унифицированными приборными интерфейсами, научными приборами и установками. Другую подгруппу составляют пакеты, обеспечивающие подключение к ЭВМ дополнительных унифицированных ВУ, поддержку ЭВМ в локальных сетях и т.д.

Интегрированные ППП представляют собой дальнейшее развитие данного класса ПС, объединяя основные функции ряда пакетов, как правило, общего назначения. Простейшим типом таких ППП является совокупность функционально-ориентированных, объединенных единым информационным интерфейсом программ (примером является MS Office).