Системное программное обеспечение. Между отдельными программами математического или про­граммного обеспечения (ПО) компьютерной системы

Между отдельными программами математического или про­граммного обеспечения (ПО) компьютерной системы, как и между ее узлами и блоками, существует тесная взаимосвязь. Такая взаимосвязь обеспечивается распределением ПО между нескольки­ми взаимодействующими уровнями. Каждый вышележащий уровень, опираясь на программное обеспечение нижележащих уровней, повы­шает функциональность всей системы.

Взаимосвязь между уровнями и программами системного ПО можно представить с помощью схемы (рис. 3.1). Эта схема составле­на по аналогии со структурной схемой программного обеспечения всей компьютерной системы, рассмотренной в главе 1.

Рис. 3.1. Уровни и программы системного программного обеспечения

Базовое ПО в архитектуре компьютера занимает особое положе­ние. С одной стороны, его можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, оно является одним из про­граммных модулей операционной системы.

Основу системного ПО составляют программы, входящие в опе­рационные системы (ОС) компьютеров. Задача таких программ — управление работой всех устройств компьютерной системы и орга­низация взаимодействия отдельных процессов, протекающих в

компьютере во время выполнения программ. Сюда относятся и про­граммы, обеспечивающие отображение информации на дисплее в удобном для пользователя виде, диалоговые программы для общения на ограниченном естественном языке, а также системы трансляции, переводящие на машинный язык программы, написанные на языках программирования.

Другой комплекс программ — служебные. Это различные сервис­ные программы, используемые при работе или техническом обслу­живании компьютера, — редакторы, отладчики, диагностические про­граммы, архиваторы, программы для борьбы с вирусами и другие вспомогательные программы. Данные программы облегчают пользо­вателю взаимодействие с компьютером. К ним примыкают програм­мы, обеспечивающие работу компьютеров в сети. Они реализуют се­тевые протоколы обмена информацией между машинами, работу с распределенными базами данных, телеобработку информации.

Вся совокупность программ, образующих ту программную сре­ду, в которой работает компьютер и называется системным программ­ным обеспечением. И чем богаче системное ПО, тем продуктивнее ста­новится работа на компьютере.

Однако в программную среду, наряду с полезными, могут вхо­дить и программы, нарушающие ее работу. Это различные програм­мы для несанкционированного доступа к данным и программам, компьютерные вирусы и другие программные средства, с помощью которых «взламывается» защита программной среды.

Рассмотрим более подробно программы, входящие в системное программное обеспечение компьютера.

3,1, БазоВое программное обеспечение

Базовое ПО, или ВЮ5, представляет программа, которая отве­чает за управление всеми компонентами, установленными на мате­ринской плате. Фактически ВЮ8 является неотъемлемой составля­ющей системной платы и поэтому может быть отнесена к особой категории компьютерных компонентов, занимающих промежуточное положение между аппаратурой и программным обеспечением.

Аббревиатура ВЮ8 расшифровывается как Важ 1при1/ОшрШ 8у$1ет — базовая система ввода/вывода. Раньше в системе 1ВМ РС

основным назначением ВЮ8 была поддержка функций ввода-выво­да за счет предоставления ОС интерфейса для взаимодействия с ап­паратурой. В последнее время ее назначение и функции значитель­но расширились.

Второй важной функцией ВЮ8 является процедура тестирова­ния (Р08Т — Ро^ег Оп 8е1Г Те8{) всего установленного на материн­ской плате оборудования (за исключением дополнительных плат рас­ширения), проводимая после каждого включения компьютера. В процедуру тестирования входят:

• проверка работоспособности системы управления электро­
питанием;

• инициализация системных ресурсов и регистров микросхем;

• тестирование оперативной памяти;

• подключение клавиатуры;

• тестирование портов;

• инициализация контроллеров, определение и подключение же­
стких дисков.

В процессе инициализации и тестирования оборудования ВЮ8 сравнивает данные системной конфигурации с информацией, храня­щейся в СМО8 — специальной энергозависимой памяти, расположен­ной на системной плате. Хранение данных в СМО8 поддерживается специальной батарейкой, а информация обновляется всякий раз при изменении каких-либо настроек ВЮ8. Именно эта память хранит последние сведения о системных компонентах, текущую дату и вре­мя, а также пароль на вход в ВЮ8 или загрузку операционной сис­темы (если он установлен). При выходе из строя, повреждении или удалении батарейки все данные в СМО8-памяти обнуляются.

Третьей важной функцией, которую В1О8 выполняет со времен 1ВМ РС, является загрузка ОС. Современные ВЮ8 позволяют загру­жать операционную систему не только с гибкого или жесткого дис­ка, но и с приводов СО-КОМ, 21Р, Ь8-120, 8С81-контроллеров. Оп­ределив тип устройства загрузки, ВЮ8 приступает к поиску программы — загрузчика ОС на носителе или переадресует запрос на загрузку на ВЮ8 другого устройства. Когда ответ получен, программа загрузки помещается в оперативную память, откуда и происходит загрузка системной конфигурации и драйверов устройств операци­онной системы.

С появлением процессоров Реп1шт ВЮ8 стала выполнять еще одну функцию — управление потребляемой мощностью, а с появ­лением материнских плат форм-фактора (стандартизированный раз­мер) АТХ (Аёуапсес! Тес1то1оёу еХ*епс1ес1 — расширенная продвину­тая технология) — и функцию включения и выключения источника питания в соответствии со спецификацией АСР1 (Айуапсес! Сопй^и-гаНоп апс! Ро\уег 1п1егГасе — продвинутый интерфейс конфигури­рования и управления потребляемой мощностью). Существует так­же спецификация АРМ (Айуапсес! Ро\уег Мапа§етеп1 — продвинутое управление потребляемой мощностью). Отличие их состоит в том, что АСР1 выполняется в основном средствами ОС, а АРМ — сред­ствами ВЮ8.

Фирм, занимающихся разработкой программного обеспечения для ВЮ8, очень мало. Из наиболее известных можно выделить три: А\уагй 8ой\уаге (Адуагс! ВЮ8), Атепсап Ме§а1гепс18, 1пс. (АМ1 ВЮ8) и Мюгок! КезеагсЬ (МП ВЮ8). Но на подавляющем большинстве компьютеров сегодня применяются различные версии ВЮ8 компа­нии А\уагс1 8ой\уаге. Пользовательский интерфейс разных версий и разных производителей ВЮ8 может сильно отличаться, но систем­ные вызовы строго стандартизированы.

Физически ВЮ8 находится в энергонезависимой перепрограм­мируемой флэш-памяти, которая вставляется в специальную колодку на материнской плате (на этой микросхеме есть яркая голографичес-кая наклейка с логотипом фирмы — разработчика ПО для ВЮ8).

3.2, Операиионные системы

3,2.1, Назначение олераиионной системы

Место операционной системы в структуре аппаратно-программ­ных средств (АПС) компьютера показано на рис. 3.2. Нижний уро­вень структуры составляют интегральные микросхемы, источники питания, дисководы и другие физические устройства.

Рис. 3.2. Структура аппаратно-программных средств компьютера

Выше расположен уровень, на котором физические устройства рассматриваются с точки зрения функционально-логических связей. На этом уровне находятся внутренние регистры центрального процес­сора (ЦП) и арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Операции над данными выполняются в соответствии с тактовой частотой ЦП. В некоторых машинах эти операции осуществляются под управле­нием специальных средств, называемых микропрограммами. В других — с помощью аппаратуры. Некоторые операции выполняются за один такт работы ЦП, другие требуют нескольких тактов. Все опе­рации составляют систему команд машины, а все данные имеют аб­солютные значения адресов, по которым они хранятся в памяти. Система команд компьютера образует машинный язык.

Машинный язык содержит от 50 до 300 команд, по которым осуществляются преобразование, модификация и перемещения дан­ных между устройствами. Управление устройствами на этом уровне осуществляется с помощью загрузки определенных данных в специ­альные регистры устройств. Например, при программировании вво­да/вывода диску можно дать команду чтения, записав в его регист­ры адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения и направление действия (чтение или запись). В действитель­ности диску следует передавать большее количество параметров, а структура операции, возвращаемой диском, достаточно сложна. При этом очень важную роль играют временные соотношения.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности. Этот уровень АПС (рис. 3.2) явля­ется программным обеспечением, управляющим всеми электронны­ми компонентами компьютера, распределяющим его ресурсы, орга­низующим вычислительный процесс и предоставляющим пользователю удобный интерфейс, избавляющий его от необходимо­сти непосредственного общения с аппаратурой. Действие чтения файла в этом случае становится намного более простым, чем когда нужно заботиться о перемещении головок диска, ждать, пока они ус­тановятся на нужное место, и т. д.

Над ОС в структуре аппаратно-программных средств компьюте­ра расположены остальные системные программы. Здесь находятся интерпретатор команд, системы окон, компиляторы и редакторы кода. Компиляторы — это ПО, переводящее программу с языка про­граммирования высокого уровня на машинный язык. После этого программа записывается в ОЗУ и затем выполняется. Интерпрета­торы — это ПО, переводящее операторы программы на машинный язык по очереди и немедленно выполняющее их. Очень важно по­нимать, что такие программы не являются частью ОС. Под операци­онной системой обычно понимается то программное обеспечение, которое запускается в режиме ядра и защищается от вмешательства пользователя с помощью аппаратных средств. А компиляторы и ре­дакторы запускаются в пользовательском режиме. Если пользовате­лю не нравится какой-либо компилятор, он может выбрать другой или написать свой собственный, но он не может написать свой соб­ственный обработчик прерываний, являющийся частью операцион­ной системы и защищенный аппаратно от попыток его модифици­ровать.

Во многих ОС есть программы, которые работают в пользова­тельском режиме. Они помогают операционной системе выполнять специализированные функции. Например, программы, позволяющие пользователям изменять свои пароли. Эти программы не являются частью ОС и запускаются не в режиме ядра, но выполняемые ими функции влияют на работу системы. Такие программы также защи­щаются от воздействия пользователя.

И, наконец, над системными программами (рис. 3.2) располо­жены прикладные программы. Обычно они покупаются или пишутся пользователем для решения собственных задач — обработки текста,

работы с графикой, технических расчетов или создания системы уп­равления базой данных.

Операционные системы выполняют две основные функции — расширение возможностей машины и управление ее ресурсами.

Как уже упоминалось, архитектура (система команд, организа­ция памяти, ввод/вывод данных и структура шин) компьютера на уровне машинного языка неудобна для работы с программами, осо­бенно при вводе/выводе данных. Так, процедура ввода/вывода дан­ных с гибкого диска выполняется через микросхемы контроллера. Контроллер имеет 16 команд. Каждая задается передачей от 1 до 9 байт в регистр устройства. Это команды чтения и записи данных, пе­ремещения головки диска, форматирования дорожек, инициализа­ции, распознавания, установки в исходное положение и калибровки контроллера и приводов. Основные команды геад, и ^гИе (чтение и запись). Каждая из них требует 13 параметров, которые определяют адрес блока на диске, количество секторов на дорожке, физический режим записи, расстановку промежутков между секторами. Програм­мист при работе с гибким диском должен также постоянно знать, включен двигатель или нет. Если двигатель выключен, его следует включить прежде, чем данные будут прочитаны или записаны. Дви­гатель не может оставаться включенным слишком долго, так как гиб­кий диск изнашивается. Поэтому программист вынужден выбирать между длинными задержками во время загрузки и изнашивающимися гибкими дисками.

Отсюда ясно, что обыкновенный пользователь не захочет стал­киваться с такими трудностями во время работы с дискетой или же­стким диском, процедуры управления которым еще сложнее. Ему нужны простые высокоуровневые операции. В случае работы с дис­ками типичной операцией является выбор файла из списка файлов, содержащихся на диске. Каждый файл может быть открыт для чте­ния или записи, прочитан или записан, а потом закрыт. А детали этих операций должны быть скрыты от пользователя.

Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляющая простой список файлов, которые можно читать и записывать, называется операционной системой. Операционная сис­тема не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы

с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и дру­гими низкоуровневыми элементами. В каждом случае процедура, предлагаемая ОС, намного проще и удобнее в обращении, чем те дей­ствия, которые требует выполнить основное оборудование.

С точки зрения пользователя ОС выполняет функцию виртуаль­ной машины, с которой проще и легче работать, чем непосредствен­но с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компью­тер. А для программ ОС предоставляет ряд возможностей, которые они могут использовать с помощью специальных команд, называе­мых системными вызовами.

Концепция, рассматривающая ОС прежде всего как удобный интерфейс пользователя, — это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд снизу вверх дает представление об ОС как о механизме уп­равления всеми частями компьютера. Современные компьютеры со­стоят из процессоров, памяти, дисков, сетевого оборудования, прин­теров и огромного количества других устройств. В соответствии со вторым подходом работа ОС заключается в обеспечении организо­ванного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода/вывода между различными программами, состязаю­щимися за право их использовать.

3,2,2, ВиЭы олераиионнык систем

История развития ОС насчитывает уже много лет. Операцион­ные системы появились и развивались в процессе совершенствова­ния аппаратного обеспечения компьютеров, поэтому эти события исторически тесно связаны. Развитие компьютеров привело к появ­лению огромного количества различных ОС, из которых далеко не все Щироко известны.

На самом верхнем уровне находятся ОС для мэйнфреймов. Эти огромные машины еще можно встретить в больших организациях. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода/вывода. Довольно часто встречаются мэйнфрей­мы с тысячью дисков и терабайтами данных. Мэйнфреймы высту­пают в виде мощных \уеЬ-серверов и серверов крупных предприятий и корпораций. Операционные системы для мэйнфреймов в основ­ном ориентированы на обработку множества одновременных зада­ний, большинству из которых требуется огромное количество опе-

раций ввода-вывода. Обычно они выполняют три вида операций: па­кетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. При пакетной обработке выполняются стандарт­ные задания пользователей, работающих в интерактивном режиме. Системы обработки транзакций управляют очень большим количе­ством запросов, например бронирование авиабилетов. Каждый от­дельный запрос невелик, но система должна отвечать на сотни и тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разде­ления времени, позволяют множеству удаленных пользователей од­новременно выполнять свои задания на одной машине, например, работать с большой базой данных. Все эти функции тесно связа­ны между собой, и операционная система мэйнфрейма выполняет их все. Примером операционной системы для мэйнфрейма является ОЗ/390.

Уровнем ниже находятся серверные ОС. Серверы представляют собой или многопроцессорные компьютеры, или даже мэйнфреймы. Эти ОС одновременно обслуживают множество пользователей и по­зволяют им делить между собой программно-аппаратные ресурсы. Серверы также предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или 1п1егпе1. У 1п1егпе1-провайдеров обычно работают несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновре­менный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы \уеЪ-сайтов и обрабатываются входящие запросы. 1Ж1Х и \Утс1оте 2000 являются типичными серверными ОС. Теперь для этой цели стала использоваться и операционная система 1лпих.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компью­теров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфей­са для одного пользователя. Такие системы широко используются в повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются операционные системы платформы ^тс!о\У5, Цпих и операционная система компьютера Маст(озЬ.

Еще один вид ОС — это системы реального времени. Главным па­раметром таких систем является время. Например, в системах управ­ления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и использу­ют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удов­летворять жестким временным требованиям. Если, например, по конвейеру передвигается автомобиль, то каждое действие должно

быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред изделию. Системы Ух^огКз и ()КХ яв­ляются операционными системами реального времени.

Встроенные операционные системы используются в карманных компьютерах и бытовой технике. Карманный компьютер — это ма­ленький компьютер, помещающийся в кармане и выполняющий не­большой набор функций, например, телефонной книжки и блокно­та. Встроенные системы, управляющие работой устройств бытовой техники, не считаются компьютерами, но обладают теми же харак­теристиками, что и системы реального времени, и при этом имеют особые размер, память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких операционных систем являются Ра1тО8 и \ЭДпс1о\У8 СЕ (Сошитег Е1ес*гошс8 — бытовая техника).

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержащих центральный процессор. На такие операцион­ные системы накладываются очень жесткие ограничения по мощно­сти процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции.

3,2.3. БозоВые понятия опероиионнык систем

Для операционных систем существует набор базовых понятий, таких как процессы, память и файлы, которые являются самыми важ­ными для понимания общей идеи построения и функционирова­ния ОС.

Ключевое понятие ОС — процесс. Процессом называют програм­му в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство — список адресов в памяти от некоторого ми­нимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содер­жит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, ука­затель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы. Чтобы лучше разобраться в понятии процесса, проведем аналогию с системой, работающей в

режиме разделения времени. Предположим, ОС решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый из­расходовал отведенную для него часть рабочего времени ЦП. Позже остановленный процесс должен быть запущен снова из того же со­стояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо сохранить. Так, процесс может иметь не­сколько одновременно открытых для чтения файлов. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию, т.е. номер байта или записи, которые будут прочитаны после повторного запуска про­цесса. При временном прекращении действия процесса все указате­ли нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих ОС вся информация о каждом процессе хранится в таблице операцион­ной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представ­ляет собой связанный список структур, по одной на каждый суще­ствующий в данный момент процесс.

В каждом компьютере есть оперативная память, используемая для хранения исполняемых программ. В простых ОС в конкретный момент времени в памяти может находиться только одна програм­ма. Более сложные системы позволяют одновременно хранить в па­мяти несколько программ. Для того чтобы они не мешали друг дру­гу, необходим защитный механизм. Этот механизм управляется операционной системой.

Другой важный, связанный с памятью вопрос — управление ад­ресным пространством процессов. Обычно под каждый процесс отво­дится некоторое множество адресов, которые он может использовать. В простейшем случае, когда максимальная величина адресного про­странства для процесса меньше оперативной памяти, процесс запол­няет свое адресное пространство, и памяти хватает на то, чтобы со­держать его целиком. Однако, что произойдет, если адресное пространство процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, а процесс захочет использовать его целиком? В этом случае использу­ется метод, называемый виртуальной памятью, при котором ОС хра­нит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами при необходимости. Управление памятью — важная фун­кция операционной системы.

Файловая система — еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Как было установлено, основной функцией

операционной системы является маскирование особенностей рабо­ты дисков и других устройств и предоставление пользователю понят­ной и удобной абстрактной модели независимых от устройств фай­лов. Системные вызовы необходимы для создания, удаления, чтения или записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно раз­местить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.

При создании места для хранения файлов ОС использует поня­тие каталога как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса, каталог для электронной почты и каталог для своей домаш­ней теЪ-страницы. Для создания и удаления каталога также необ­ходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение су­ществующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталога могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру — файловую систему.

Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев (рис. 3.3). Иерархия процессов обычно не очень глубока, в ней ред­ко бывает больше трех уровней, тогда как файловая структура дос­таточно часто имеет четыре, пять и даже больше уровней в глубину.

МЗОНчсе

Р1 Рссе55

МетодМатер УчебМатер СаЬ

М015ПК

ТаЫез УсЬеЬгну С] Ехсе!

1е5Ехсе1

УсНеЬгму ЛабРаб

Рис. 3.3. Дерево каталогов

Иерархия процессов обычно живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.

Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинает­ся из вершины структуры каталогов, называемой корневым катало­гом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, кото­рые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов. Отдельные компоненты в ОС 1ЖIX разде­ляются косой чертой /, а в М8-ОО8 и Щпёодуз — обратной косой чертой \.

3,2,4, Проиессы и потоки

Основным понятием, связанным с операционными системами, является процесс — абстрактное понятие, описывающее работу про­граммы. Все остальное базируется на этом понятии, поэтому очень важно, чтобы студенты получили полное представление о концепции процесса.

Проиессы

Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользовате­лем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе про­цессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный мо­мент времени процессор занят только одной программой, но за се­кунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми програм­мами. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах, содержа­щих несколько процессоров, разделяющих общую память между со­бой. Производители операционных систем разработали концептуаль­ную модель последовательных процессов, упрощающую наблюдение за работой параллельно идущих процессов.

Рассмотрим содержание и применение этой модели.

Поиск по сайту: