Інформатика та інформаційні технології: Базове програмне забезпечення комп'ютерних систем

12.

Базове програмне забезпечення комп'ютерних систем

Успішно вивчивши це заняття, Ви будете знати:

• основні відомості і основні складові програмного забезпечення;

• роль і місце операційних систем в програмному забезпеченні комп'ютера;

• функції і принципи класифікації операційних систем.

Після вивчення даної теми Ви будете вміти:

• розбиратися в призначенні програмного забезпечення комп'ютера;

• розрізняти базове (системне) і прикладне програмне забезпечення;

• розбиратися в класифікації операційних систем.

Після вивчення матеріалу Ви будете володіти навичками:

• виявлення основного призначення програмного забезпечення комп'ютера;

• вивчення тенденцій розвитку операційних систем;

• виявлення основних особливостей операційних систем.

Основні поняття до теми 12

Операційна система

Операційне середовище

Базове (системне) програмне забезпечення

Прикладне програмне забезпечення

12.1.

Базове і прикладне програмне забезпечення

Все програмне забезпечення, наявне на комп'ютері, прийнято ділити на 2 великі частини - базове програмне забезпечення (його ще можуть називати системним програмним забезпеченням) і прикладне програмне забезпечення (див. Рис. 12.1 ).

Базове програмне забезпечення - це набір програм, які відповідають за взаємодію з апаратними засобами (компонентами, складовими базову конфігурацію обчислювальної техніки).

До складу базового (системного) програмного забезпечення входять:

• Операційні системи;

• сервісні програми (оболонки операційних систем, утиліти, інтерфейсні програми);

• інструментальні програми (транслятори, завантажувачі, засоби налагодження);

• програми технічного обслуговування (налагоджувальні, діагностичні, тестові).

Операційна система - це обов'язкова частина базового програмного забезпечення комп'ютера. Забезпечує ефективне функціонування комп'ютера, організовує виконання інших програм, встановлених на комп'ютері, а також взаємодія користувача і зовнішніх пристроїв з комп'ютером.

Сервісні програми - це програми, які доповнюють і розширюють можливості операційної системи, надаючи користувачу комп'ютера додаткові можливості.

інструментальні програми - це програми, які призначені для ефективної розробки та налагодження програмного забезпечення. Використовуються зазвичай висококваліфікованими користувачами - програмістами.

Програми технічного обслуговування комп'ютера - це програми, які призначені для діагностики, тестування технічних засобів і пошуку несправностей в комп'ютері. Завдяки використанню цих програм підвищується надійність і достовірність обробки інформації на комп'ютері.

До складу прикладного програмного забезпечення входять різні програми, призначені для вирішення завдань користувача, наприклад:

• текстові редактори;

• гіпертекстові редактори;

• редактори електронних таблиць;

• графічні редактори;

• експертні системи;

• видавничі системи;

• програми для бухгалтерів;

• програми для банківських співробітників;

• програми для маркетологів;

• програми для співробітників страхових компаній і т.д.

На рис. 12.2 представлена ​​принципова схема конфігурації програмного забезпечення комп'ютера.

12.2.

Завдання і функції операційної системи (ОС)

Якщо розглядати ОС як якийсь механізм, що керує всіма частинами обчислювальної машини, то однією з основних задач ОС є управління обчислювальними ресурсами. До обчислювальних ресурсів відносять процесорний час, оперативну і постійну пам'ять, мультимедіа-компоненти, телекомунікаційне і периферійне устаткування.

Управління ресурсами включає рішення двох загальних, що не залежать від типу ресурсу завдань - планування ресурсу і відстеження його стану. Для вирішення завдання управління ресурсами різні ОС використовують різні алгоритми, що в кінцевому рахунку і визначає їх структуру в цілому, включаючи характеристики продуктивності, область застосування і навіть користувальницький інтерфейс. Так, наприклад, алгоритм управління процесором в значній мірі визначає, чи є ОС системою поділу часу, системою пакетної обробки або системою реального часу.

Другий основним завданням операційної системи є надання користувачеві якоїсь абстрактної машини, з чиєю допомогою він може вирішувати різні завдання. Під абстрактної машиною в даному випадку розуміється машина, яка складається зі стандартних блоків, кожен з яких управляється стандартним чином. Наприклад, з точки зору користувача, сучасна обчислювальна машина складається з процесора, декількох модулів оперативної пам'яті, дискового накопичувача, аудіо- і відеоадаптера, мережевий плати, блоку живлення і багатьох інших пристроїв. Насправді ж кожен із перелічених пристроїв, в залежності від виробника, в рамках своєї категорії обладнання може функціонувати по-різному, володіти різними функціональними можливостями і конструктивними особливостями. Тому, абстрагуючись кожен клас устаткування і надаючи уніфікований алгоритм управління цим класом обладнання, операційна система надає кінцевому користувачеві таку обчислювальну машину, з якої можна працювати, не переймаючись питаннями її управління.

Виходячи з такої постановки задач можна визначити наступні функції операційної системи: ефективне управління обчислювальними ресурсами для підвищення ефективності роботи обчислювальної машини і забезпечення необхідного рівня прозорості обладнання для користувачів.

12.3.

Види операційних систем

Найбільш поширеними з класифікацій операційних систем є наступні дві - по функціональним можливостям і по областях застосування.

За функціональним можливостям виділяють:

По областях застосування виділяють операційні системи мейнфреймів, кластерів, серверів, робочих станцій, кишенькових комп'ютерів, мобільні і вбудовувані операційні системи. Залежно від області застосування розрізняються і функціональні можливості кожного класу операційних систем.

12.4.

Властивості операційних систем

Властивості, якими володіють операційні системи, діляться на дві групи - машинно незалежні і машинно залежні.

Машинно незалежні властивості характеризують можливості операційної системи з управління обчислювальними ресурсами і особливості організації обчислювальних процесів, а також способи організації файлових структур.

До машинно залежним властивостям сучасних операційних систем відносять багатозадачність, можливість одночасної роботи декількох користувачів, можливість багатопроцесорної обробки даних, можливість розпаралелювання обчислень і багато інших.

12.5.

управління ресурсами

Як уже згадувалося раніше, в рамках проблеми управління обчислювальними ресурсами необхідно вирішувати два завдання:

1) планування ресурсу - визначення, кому, коли і в якій кількості необхідно виділити даний ресурс;

2) відстеження стану ресурсу , Тобто підтримка оперативної інформації про те, зайнятий або чи не зайнятий ресурс, а для подільних ресурсів - яка кількість ресурсу вже розподілено.

Обчислювальні ресурси можна розділити на дві категорії - Вивантажувані і невивантажуваного ресурси . Ресурс вважається вивантажують, якщо його можна під час роботи процесу-власника передати іншому процесу без шкоди для процесу-власника. Пам'ять є вивантажувати ресурсом. А оце робота записи компакт-дисків є невивантажуваного ресурсом.

Завдання управління ресурсами ускладнена проблемою можливої ​​взаимоблокировки процесів. взаімоблокіровка - ситуація, коли одні процеси блокують доступ іншим процесам до різних ресурсів. Вона обумовлена ​​тим, що в кожен конкретний момент часу один і той же ресурс може бути використаний тільки в рамках одного завдання. Це особливо помітно при використанні периферійного обладнання, наприклад в разі сканування або друку документа або ж при роботі з файловою системою. Взаімоблокіровка вивантажуються ресурсів дозволяється шляхом перерозподілу ресурсів між процесами. Взаімоблокіровка невивантажуваного ресурсів може бути вирішена шляхом блокування процесу до тих пір, поки не звільниться запитаний ресурс.

12.6.

планування процесів

Одним з найважливіших понять операційних систем є поняття процесу.

процес - програма, яка в даний момент виконується обчислювальною машиною.

Кожному процесу виділяється окремий, ізольований від інших, сегмент пам'яті, який називається адресним простором процесу . В адресному просторі процесу, крім самого процесу, також зберігаються вхідні і вихідні дані процесу. У многозадачной операційній системі всі процеси виконуються по черзі таким чином, що в кожен момент часу виконується тільки один процес. Для забезпечення коректної роботи процесів необхідно відстежувати стан кожного процесу, щоб відновлювати його виконання з того моменту, де в останній раз процес був зупинений.

Крім стану процесу необхідно також відстежувати інформацію про використовувані ним ресурсах. Вся інформація про процеси зберігається в таблиці процесів - масиві структур даних , Записами якого є інформація по кожному процесу, запущеного в системі. Таблиця процесів представляється зазвичай у вигляді дерева, тому що більшість процесів, які виконуються на машині, здатне породжувати дочірні процеси для вирішення допоміжних завдань, і для кожного процесу необхідно враховувати не тільки його власний стан, а й стан всіх пов'язаних з ним процесів.

12.7.

файлова система

Самі програми і дані для їх роботи зберігаються на різних носіях. Спосіб організації даних на носії називається файлової системою . файлом називається іменована область даних на носії, що зберігає певний масив інформації. Під кожен файл на носії виділяється певний обсяг простору, який може бути зайнятий тільки цим файлом. Файли на носіях розрізняються за типами даних, що зберігаються. Наприклад, текстові файли, програми, аудіофайли, відеофайли, програмні модулі, службові файли і багато інших.

Для зручності зберігання даних існує окремий клас службових файлів, які називаються папками , Або каталогами . Каталог являє собою якийсь масив файлів, згрупованих за будь-якою ознакою. Каталог, як і будь-який інший файл, має власне ім'я. Іменем кінцевого файлу при такому способі організації файлової структури є повний шлях до каталогу, в якому зберігається файл, плюс саме ім'я файлу. При такому підході повне ім'я файлу повинна бути унікальним, також назва файлу має бути унікальним в межах його каталогу.

Інший категорією службових файлів є ярлик , Або посилання . Ярлик зберігає шлях до файлу і при виклику відкриває сам файл. Ярлики використовуються для прискорення доступу до файлів.

Властивості файлу в рамках конкретної файлової системи називаються атрибутами файлу . До атрибутів відносять дату і час створення файлу, тип файлу, права доступу до файлу.

12.8.

Обслуговування введення-виведення. Переривання. Віртуальна пам'ять

Пристрої введення-виведення діляться на дві категорії - блокові і символьні.

1. блокові пристрої - оперують блоками даних, розмір яких варіюється в залежності від пристрою. Кожен блок в блоковому пристрої має власну адресу. Прикладом блочного пристрою може служити будь-який накопичувач. Одним з найбільш важливих властивостей блокового пристрою є можливість незалежного доступу до блоків даних.

2. Символьні пристрої - оперують потоками даних, що не мають структури або адреси. Більшість пристроїв є символьними.

Пристрій вводу-виводу зазвичай складається з двох частин - сам пристрій і його контролер. контролер здійснює управління роботою пристрою на фізичному рівні. Контролер виконується у вигляді набору мікросхем і або поєднаний з пристроєм, або встановлений на системній платі. Якщо контролер встановлений на системній платі, то зазвичай він дозволяє працювати з двома і більше пристроями даного типу. Прикладом такого контролера може служити контролер накопичувачів на жорстких магнітних дисках, який дозволяє працювати одночасно з двома НЖМД. Завданням контролера є перетворення потоку бітів в блок байтів. Прочитувані біти накопичуються в пам'яті контролера, яка називається буфером даних, і потім у вигляді блоків байтів передаються в оперативну пам'ять. Кожен контролер, крім буфера, має також кілька регістрів, за допомогою яких процесор може керувати роботою контролера.

Існує два альтернативні способи управління контролерами пристроїв.

Перший спосіб полягає в тому, що кожному регістру призначається унікальний номер порту вводу-виводу. При такому способі адресний простір оперативної пам'яті не перетинається з адресним простором пристроїв введення-виведення.

Другий спосіб полягає у виділенні кожному регістру окремого сегменту оперативної пам'яті. Перевага другого способу в тому, що для програмування роботи пристроїв не потрібно вдаватися до машинних мов, а також в тому, що при такому підході для захисту від несанкціонованого доступу до пристроїв досить виключити частину адресного простору пристроїв вводу-виводу з блоку адрес пам'яті, доступних користувачам . Недолік цього підходу в тому, що для його реалізації необхідно використання більш складної апаратури. Підвищення складності апаратури обумовлюється тим фактором, що деякі прийоми, які використовуються для прискорення роботи з пам'яттю, можуть привести до катастрофічних наслідків при використанні їх з пристроями введення-виведення.

Для прискорення обміну даними між процесором і пристроями використовується механізм прямого доступу до пам'яті (DMA) . Контролер DMA забезпечує читання даних з пристрою в пам'ять і запис даних з пам'яті на пристрій. У загальних рисах механізм DMA працює наступним чином: коли процесу потрібно прочитати або записати дані на пристрій введення-виведення, процесор програмує контролер DMA на виконання необхідної операції, повідомляючи йому, з яким пристроєм необхідно виконати необхідну операцію і за якою адресою в пам'яті розміщуються дані. До тих пір поки контролер виконує операцію, процесор може виконувати інші процеси. Коли контролер DMA завершує доручену йому завдання, він посилає процесору сигнал про те, що операція завершена, після чого процесор призупиняє виконання поточного завдання і починає виконувати той процес, який зажадав введення-виведення даних.

переривання - це сигнал процесору про те, що йому необхідно перервати виконання поточного процесу і викликати оброблювач переривання.

оброблювач переривання - це програма, яку процесор повинен виконати при виникненні переривання. Оброблювач переривання є частиною драйвера пристрою. драйвером пристрою називають програму, яка забезпечує взаємодію пристрої з операційною системою.

віртуальної пам'яттю називають такий метод роботи з пам'яттю, коли в пам'яті зберігаються тільки ті частини програми, які використовуються в конкретний момент часу. Всі інші частини програми, так само як і дані, зберігаються на диску. Цей спосіб організації пам'яті дозволяє виконувати програми, чий сумарний обсяг разом з даними може перевищувати обсяг фізичної пам 'яті. Більшість систем віртуальної пам'яті використовують механізм сторінкової організації пам'яті. При роботі з віртуальною пам'яттю вся доступна пам'ять розбивається на сторінкові блоки фіксованого обсягу. При зверненні до будь-якої комірки пам'яті запит спочатку передається диспетчеру пам'яті, який перетворює віртуальний адреса в реальний, і передає отриманий адресу на шину, який потім обробляється належним чином.

Основні висновки

1. Все програмне забезпечення, наявне на комп'ютері, прийнято ділити на 2 великі частини - базове програмне забезпечення (його ще можуть називати системним програмним забезпеченням) і прикладне програмне забезпечення.

2. Базове програмне забезпечення - це набір програм, які відповідають за взаємодію з апаратними засобами (компонентами, складовими базову конфігурацію обчислювальної техніки). До складу прикладного програмного забезпечення входять різні програми, призначені для вирішення завдань користувача

3. Операційна система - це обов'язкова частина базового програмного забезпечення комп'ютера. Забезпечує ефективне функціонування комп'ютера, організовує виконання інших програм, встановлених на комп'ютері, а також взаємодія користувача і зовнішніх пристроїв з комп'ютером.

4. Сервісні програми - це програми, які доповнюють і розширюють можливості операційної системи, надаючи користувачу комп'ютера додаткові можливості.

5. Інструментальні програми - це програми, Які прізначені для ефектівної розробки та налагодження програмного забезпечення. Використовуються зазвичай висококваліфікованими користувачами - програмістами.

6. Програми технічного обслуговування комп'ютера - це програми, які призначені для діагностики, тестування технічних засобів і пошуку несправностей в комп'ютері. Завдяки використанню цих програм підвищується надійність і достовірність обробки інформації на комп'ютері.

7. Однією з основних завдань ОС є управління обчислювальними ресурсами. До обчислювальних ресурсів відносять процесорний час, оперативну і постійну пам'ять, мультимедіа-компоненти, телекомунікаційне і периферійне устаткування. Другий основним завданням операційної системи є надання користувачеві якоїсь абстрактної машини, з чиєю допомогою він може вирішувати різні завдання.

8. Найбільш поширеними класифікаціями операційних систем є такі: по функціональним можливостям і по областях застосування. За функціональним можливостям виділяють ОС:

   • однозадачні і багатозадачні. Багатозадачні ОС діляться на ОС з витісняє і не витісняючої багатозадачності. При витісняє багатозадачності контроль за роботою програм лежить на операційній системі, в іншому ж випадку хід обчислень контролюється кожною програмою самостійно;

   • однопользовательские і розраховані на багато користувачів;

   • однопроцесорні і багатопроцесорні. Багатопроцесорні ОС діляться на симетричні і асиметричні. Асиметричні багатопроцесорні операційні системи відрізняються від симетричних тим, що перша монополізує для роботи операційної системи один або більше процесорів, в той час як друга використовує частину процесорного часу кожного процесора.

   • однонітевиє і багатонитковою.

   • по областях застосування виділяють операційні системи мейнфреймів, кластерів, серверів, робочих станцій, кишенькових комп'ютерів, мобільні і вбудовувані операційні системи. Залежно від області застосування розрізняються і функціональні можливості кожного класу операційних систем.

9. Властивості, якими володіють операційні системи, діляться на дві групи: машинно-незалежні і машинно-залежні. До машинно-незалежним властивостям сучасних операційних систем відносять: багатозадачність, можливість одночасної роботи декількох користувачів, можливість багатопроцесорної обробки даних, можливість розпаралелювання обчислень і багато інших.

10. В рамках проблеми управління обчислювальними ресурсами необхідно вирішувати два завдання:

    • планування ресурсу - визначення, кому, коли і в якій кількості необхідно виділити даний ресурс;

    • відстеження стану ресурсу, тобто підтримка оперативної інформації про те, зайнятий або чи не зайнятий ресурс, а для подільних ресурсів - яка кількість ресурсу вже розподілено.

11. процесом називають програму, яка в даний момент виконується обчислювальною машиною. Кожному процесу виділяється окремий, ізольований від інших, сегмент пам'яті, який називають адресним простором процесу.

12. Спосіб організації даних на носії називається файлової системою . Файлом називається іменована область даних на носії, що зберігає певний масив інформації. Під кожен файл на носії виділяється певний обсяг простору, який може бути зайнятий тільки цим файлом. Властивості файлу в рамках конкретної файлової системи називаються атрибутами файлу. До атрибутів відносять дату і час створення файлу, тип файлу, права доступу до файлу.

13. Пристрої введення-виведення діляться на дві категорії - блокові і символьні. Блоковий пристрій оперує блоками даних, розмір яких варіюється в залежності від пристрою. Символьні пристрої оперують потоками даних, що не мають структури або адреси. Більшість пристроїв є символьними.

14. переривання - це сигнал процесору про те, що йому необхідно перервати виконання поточного процесу і викликати оброблювач переривання. Оброблювач переривання - це набір команд, які процесор повинен виконати при виникненні переривання. Оброблювач переривання зазвичай входить до складу драйвера пристрою.

15. драйвером пристрою називають програму, яка забезпечує взаємодію пристрої з операційною системою.

16. віртуальної пам'яттю називають такий метод роботи з пам'яттю, коли в пам'яті зберігаються тільки ті частини програми, які використовуються в конкретний момент часу. Всі інші частини програми, так само як і дані, зберігаються на диску.

контрольні питання

1. У чому відмінність базового програмного забезпечення від прикладного?

2. Які програми вважаються сервісними?

3. Що таке операційна система?

4. Які функції операційної системи?

5. Як класифікуються операційні системи?

6. Як операційна система управляє обчислювальними ресурсами?

7. Що таке файлова система? Який вид файлової системи використовує операційна система вашого комп'ютера?

8. Яка інформація міститься в драйвері пристрою?

9. Що таке віртуальна пам'ять?

література

1. Альохіна Г.В., Годін І.М., Пронкін П.Г. Основи інформатики: навч. посібник. - М .: МФПА. 2009.

Завдання для самостійної роботи

виконайте завдання до теми 12 і пройдіть тест в зошиті-практикумі.