Тема: «Аппаратная и программная составляющая ПК, их взаимодействие»
Цель: познакомиться с уровнями программного обеспечения ПК и взаимодействием ПО и АО
Ход работы
Изучение материала
Конечная цель выполнения любой программы – управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение работают в непрерывном взаимодействии, и их разделение является довольно условным.
Для нормальной работы пользователя недостаточно одной программы, обеспечивающей решение какой-то конкретной задачи, поэтому в архитектуре вычислительной машины применяется более широкое понятие - программное обеспечение. Программное обеспечение (ПО) компьютера называют SOFTWARE.
Между программами, также как между аппаратными средствами, существует взаимосвязь, поэтому можно говорить о программном интерфейсе. Программный интерфейс основан на протоколах – соглашениях о взаимодействии программ. Всё программное обеспечение вычислительной системы разбивается на несколько взаимодействующих между собой уровней. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое разделение программного обеспечения упрощает разработку и эксплуатацию программ. Каждый следующий уровень повышает функциональные возможности всей системы.
Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Обычно оно входит в состав базового оборудования и хранится в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами ПЗУ, или ROM (Read Only Memory). Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе его изготовления и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.
В тех случаях, когда это необходимо, вместо ПЗУ используются перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства ППЗУ, или EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory). Изменение содержимого микросхем памяти в этом случае производится на специальных устройствах – программаторах.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.
Функции BIOS:
1. Автоматическое тестирование основных компонентов компьютера при его включении. На экране дисплея появляются диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера.
2. Вызов блока загрузки операционной системы. Загрузив в оперативную память блок первоначальной загрузки, BIOS передает ему управление, блок загружает другие модули операционной системы.
3. Обслуживание прерываний.
Система прерываний – это совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих процесс переключения с одной программы на другую и возврат к продолжению прерванной программы за счет операций процессора, называемых прерыванием.
Прерывание – это реакция процессора на некоторое условие, возникающее в процессоре или на материнской плате.
Реакция выражается в прекращении выполнения текущей команды для обработки возникшего условия.
Прерывания бывают трех видов:
1) аппаратные (например, нажатие клавиши);
2) логическое или процессорное (например, деление на ноль);
3) программные (например, команды ввода-вывода).
Системный уровень. Этот уровень обеспечивает взаимодействие прочих программ вычислительной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы. При подключении к системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая взаимодействие других программ с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.
Существуют драйверыпринтеров, драйверы дисководов, драйверы мыши и т.д. Если компьютер комплектуется определенным набором внешних устройств каких-то марок, то одновременно его программное обеспечение должно включать соответствующие драйверы. Современные операционные системы включают большой набор разнообразных типовых драйверов. Более того, они умеют при включении компьютера автоматически определять тип используемого устройства и подключать к работе соответствующий драйвер (эта услуга называется Plug & Play). Естественно, это возможно только в случае, если устройство «умеет» отвечать на вопрос о своей марке (основные производители компьютерной техники эту услугу предусматривают).
Все современные операционные системы (например, UNIX или Windows NT) обеспечивают многозадачный (одновременное выполнение нескольких программ) и многопользовательский (одновременная работа нескольких пользователей) режимы работы компьютера. Многозадачный режим означает одновременную работу на компьютере нескольких программ. Конечно, если компьютер содержит один центральный процессор, он может выполнять только одну программу, однако операционная система так организует работу компьютера, что создается иллюзия одновременной работы нескольких программ.
Специальный класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Они обеспечивают возможность ввода данных в вычислительную систему, управление её работой и вывод результатов в удобной форме. Эти программы называются пользовательским интерфейсом. От них зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.
Программы системного уровня образуют ядро операционной системы – совокупности программ, управляющих работой компьютера. Программы более высокого уровня могут быть установлены на компьютере только при наличии на нём системного программного обеспечения. Наличие ядра операционной системы – необходимое условие работы человека на компьютере.
Операционная система (ОС) – это совокупность программ, управляющая аппаратной частью компьютера, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках), обеспечивающая запуск и выполнение прикладных программ, автоматизацию процессов ввода/вывода.
Исходя из функции операционной системы её структуру можно представить следующим образом:
Первые операционные системы представляли собой единый интегрированный комплекс служебных программ, обеспечивающий взаимодействие пользовательских программ с различными элементами компьютера и пригодный для широкого класса компьютеров. Постепенно на операционную систему был возложен ряд функций по управлению процессами, происходящими в компьютере. Постепенно круг этих функций расширялся и сформировался современный взгляд на предназначение и функции операционной системы.
Современные операционные системы обеспечивают:
- управление выполнением программ;
- управление памятью;
- управление вводом-выводом;
- управление файловой системой;
- обработку прерываний;
- управление работой аппаратных устройств компьютера;
- взаимодействие с ОС пользователей и программ (пользовательский интерфейс ОС);
- многозадачный режим;
- многопользовательский режим;
- установку операционной системы на компьютере;
- настройку параметров операционной системы;
- т естирование устройств компьютера и функциональных подсистем ОС и исправление возможных нарушений; разделение ресурсов компьютера между программами (оперативной памяти, времени процессора, внешней памяти, периферийных устройств и др.);
- безопасность функционирования компьютера — защиту памяти, используемой одной программой или пользователем, от использования другой программой или пользователем;
- корректность совместного владения данными несколькими программами или пользователями.
Первые вычислительные машины были устроены таким образом, что на них могла работать одновременно только одна программа, которая всегда загружалась с начального адреса оперативной памяти.
Многозадачный режим работы компьютера требует, чтобы операционная система обеспечивала следующие возможности:
- параллельное (псевдопараллельное) выполнение нескольких программ;
- постановка заданий (т.е. программ) в очередь на выполнение;
- разделение между программами ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам.
Многопользовательский режим работы вычислительной системы (в частности, одного компьютера) предполагает работу с данными нескольких пользователей.
При многопользовательском режиме дополнительно должно выполняться:
- разделение ресурсов процессора, памяти и доступа к внешним устройствам в соответствии с запросами и приоритетами пользователей;
- защита данных одного пользователя от доступа со стороны других пользователей.
Режимом разделения времениназывается такая организация многозадачной и многопользовательской работы программ на одном компьютере, при которой каждой программе в зависимости от приоритета выделяется квант времени, в течение которого работает только эта программа. При этом постоянно в оперативной памяти компьютера находится только небольшая часть программы, а основная ее часть загружается на время выполнения программы и выгружается (освобождается) после окончания выделенного программе кванта времени.
Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программным обеспечением базового уровня, так и с программным обеспечением системного уровня. Служебные программы называются утилитами. Они предназначены для автоматизации работ по проверке, наладке и настройке вычислительной системы, а также для расширения и улучшения функций системных программ.
Многие программы сервисного ПО являются частью операционной системы, но это не обязательно – значительное число сервисных программ существуют и отдельно от ОС.
Выделим некоторые важные типы сервисных программ.
Сервисные программы (утилиты) – вспомогательные программы для обеспечения управления с устройствами ввода вывода и обработки и предоставления обрабатываемых данных в удобном для пользователя виде.
Утилиты – это программы, выполняющие какие-либо отдельные вспомогательные функции для обеспечения работы других программ или элементов аппаратуры с целью исправления ошибок или расширения возможностей работы с компьютером. Например, программы диагностики и настройки аппаратуры, форматирования носителей данных, записи и чтения данных, архивации данных, антивирусного сканирования и т.д. являются утилитами. Утилиты, как правило, имеют пользовательский интерфейс, т.е., запускаются и управляются пользователями.
Рассмотрим некоторые типы утилит.
Программы-архиваторы позволяют за счет применения специальных алгоритмов упаковки информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл. Применение программ-архиваторов очень полезно при создании архива файлов, так как в большинстве случаев значительно удобнее их хранить, предварительно сжав программами-архиваторами. Представители данных программ –WinRar и WinZip.
Программы для создания резервных копий информации позволяют периодически копировать важную информацию, находящуюся на жестком диске компьютера, на дополнительные носители. Представители программ резервного копирования – APBackUp, Acronis True Image.
Антивирусные программы предназначены для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения вирусом. Представители антивирусного семейства программ – McAfee, Kaspersky Antivirus, DrWeb, Norton Antivirus.
Программы для диагностики компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера (количество памяти, ее использование, типы дисков и т. д.), проверить работоспособность устройств компьютера, оценить его производительность. Представители программ диагностики компьютеров – Sisoft Sandra, Norton System Information.
Программы для оптимизации дисков позволяют обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске. Эти программы перемещают все участки каждого файла друг к другу (устраняют фрагментацию), собирают все файлы в начале диска и т.д., за счет чего уменьшается число перемещений головок диска (т.е. ускоряется доступ к данным) и снижается износ диска. Представители программ для оптимизации дисков – Norton Disk Doctor, Microsoft Scandisk.
Программы для печати экрана бывают весьма полезны при использовании графических программ для вывода на печать содержимого экрана, так как отнюдь не всегда это можно сделать с помощью самой графической программы. Представители программ для печати экрана – SnagIt, HyperSnap-DX.
Рассмотрим теперь программы, относящиеся к сервисному ПО, но не являющиеся утилитами.
Оболочки – это программы, реализующие пользовательский интерфейс, т.е. предназначенные для обмена данными между компьютером и пользователем. Например, ОС Windows содержит встроенную оболочку – программу Проводник (Explorer). Но вместо нее можно пользоваться другими оболочками, например, программой Windows Commander, которая в ОС Windows не входит.
Системы разработки ПО (системы программирования) – это особая группа ПО не относящаяся ни к системному, ни к прикладному ПО. Системы программирования – это совокупность программ для разработки, отладки и внедрения новых программных продуктов.
Системы программирования обычно содержат:
· трансляторы;
· среду разработки программ;
· библиотеки справочных программ (функций, процедур);
· отладчики;
· вспомогательные программы.
Трансляторы языков программирования - перевод формата исходных программ (написанных программистом) в необходимый формат для работы с данной операционной системой.
Программы технического обслуживания – для обеспечения работы различных технических средств, используемых в информационных система.
Системное ПО обеспечивает работу компьютера, но не решает каких-либо задач по обработке интересной для пользователя информации. Эти функции выполняет следующий уровень программного обеспечения – прикладное ПО – наиболее важный для пользователя класс компьютерных программ.
Прикладной уровень. Программное обеспечение этого уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные работы. Диапазон возможных приложений вычислительной системы зависит от наличия прикладных программ для разных видов деятельности. Широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависит от типа используемой операционной системы.
Скорость обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами во много раз меньше скорости работы процессора. Поэтому оптимальное использование ресурсов компьютера возможно только тогда, когда операции обмена информацией с внешними устройствами не приостанавливают работу процессора. С другой стороны, операции ввода-вывода многочисленны, но стандартны и мало отличаются от программы к программе. Например, ввод информации предполагает наличие многих типовых действий кроме собственно ввода.
В частности, необходимо:
- определить номер порта ввода-вывода, соответствующего устройству;
- проверить физическое наличие устройства;
- установить, включено или выключено требуемое устройство;
- проверить, установлен ли на этом устройстве носитель информации (например, магнитный диск);
- сверить код носителя информации;
- найти место требуемой информации на носителе;
- подготовить считывающее устройство для считывания требуемой информации (например, установить магнитную головку над дорожкой диска).
Только после этого начинается непосредственный обмен данными оперативной памяти с внешним устройством. При этом надо еще отслеживать возможные повреждения на поверхности диска или сбои при чтении информации с магнитной поверхности диска. Каждая ошибка на этапе ввода или вывода должна обрабатываться определенным образом.
Все подобные операции входят в состав подсистемы управления вводом-выводом. Если в некоторой пользовательской программе нужно задать операцию ввода или вывода данных на внешний носитель, то вместо прописывания всех необходимых для этого действий в программу вставляется обращение к соответствующей подпрограмме операционной системы. Конкретные детали действий передаются вызываемой подсистеме в качестве дополнительных параметров. Операционная система выполняет нужные действия, после чего осуществляется возврат к пользовательской программе.
Проблема структурной организации наборов данных, хранящихся на внешних носителях компьютера, возникла тогда, когда емкость внешних носителей настолько увеличилась, что нахождение наборов данных стало серьезной проблемой (так же как поиск нужной книги в библиотеке — совершенно другая задача по сравнению с поиском книги в домашнем шкафу). Файловой системой называется способ организованного хранения наборов данных на внешнем носителе и одновременно конкретные наборы данных на конкретном носителе. Операционная система умеет распознавать и читать файловую систему внешнего устройства компьютера.
Функция поддержки файловой системы в работоспособном состоянии называется управлением файловой системой. В случае сбоев при выполнении программы или процедуры ввода-вывода операционная система берет на себя решение о дальнейших действиях. Для этого она прерывает выполнение текущей программы и пытается проанализировать произошедшую ошибку, в зависимости от характера которой работа пользовательской программы либо продолжается, либо аварийно заканчивается.
Часто используется такой вариант работы, когда на компьютере работает одна основная (как правило, интерактивная) программа, которая часто находится в режиме ожидания, и другая (вычислительная) программа, требующая большою количества времени процессора или внешних устройств. Когда первая программа ждет, вторая работает, когда первая программа начинает работать, вторая останавливается. В таком случае говорят, что вторая программа работает в фоновом режиме. взаимодействие с операционной системой
Операционные системы очень эволюционировали с момента своего возникновения. Вначале эксплуатировалось несколько вариантов операционной системы на вычислительных машинах различных фирм. В силу ряда причин к середине 1970-х годов в большинстве компьютеров использовалась система машинных команд и операционная система компании IBM, названная дисковой операционной системой (DOS). Эта же фирма была одним из пионеров в разработке персональных компьютеров. Те модели персональных компьютеров, которые позаимствовали архитектуру и систему команд фирмы IBM, стали называться IBM PC-совместимыми компьютерами.
На основе операционной системы DOS для таких компьютеров было разработано несколько операционных систем. В дальнейшем практически все РС-совместимые персональные компьютеры стали обслуживаться операционной системой компании Microsoft, называемой MS DOS. С течением времени появлялись новые версии MS DOS, включающие все новые и новые услуги, однако в целом концепция операционной системы этой фирмы осталась неизменной.
Наиболее важным следствием использования операционных систем при работе компьютера явилось то, что, поскольку типовые операции прикладной программы выполняют утилиты ОС, то и программа может работать только с той операционной системой, на которую она ориентирована, т.е. программы стали сравнительно независимы от компьютера, главное — чтобы на нем работала нужная ОС. Современные операционные системы основаны на концепции виртуальной машины.
Виртуальной машиной называется абстрактная машина с улучшенными характеристиками оперативной памяти (называемой виртуальной памятью) и неограниченным количеством внешних устройств, обеспечивающая абсолютную безопасность данных разных программ. Прикладные системы ориентированы на такую идеальную виртуальную машину, а в задачу операционной системы входит такая организация работы реального компьютера, при которых с точки зрения прикладной программы он выглядит как виртуальная машина. Реализация виртуальной машины с помощью средств операционной системы называется эмуляцией виртуальной машины.
Возникновение вычислительных сетей привело к появлению нового класса типовых задач. Для обеспечения сетевой связи между персональными компьютерами стали использоваться сетевые оболочки (например, система NetWare фирмы Novell). Сетевые оболочки, хотя их часто называют операционными системами, не являются полнофункциональными операционными системами, так как предполагают, что на каждом отдельном компьютере функционирует своя операционная система. Функции сетевой оболочки выполняются сетевыми модулями, которые функционируют на компьютерах сети.
С точки зрения ОС отдельного компьютера эти сетевые модули являются прикладными программами. Сетевая оболочка берет на себя все функции обеспечения процесса передачи данных между компьютерами с помощью следующего приема: для пользователя одного компьютера данные на другом компьютере представляются как еще один внешний носитель информации (диск) данного компьютера. При попытке прочитать в оперативную память файл этого диска (данные или программу) операционная система обратится к сетевому модулю, а подпрограммы, входящие в Novell, обеспечат правильную передачу данных с одного компьютера на другой.
Очередным шагом в развитии операционных систем явилось включение в них сетевых функций. К таким сетевым операционным системам относятся, например, операционная система Windows NTn различные версии UNIX. Эти системы обеспечивают работу как отдельного компьютера, так и в сети. При этом на них возлагается множество дополнительных сетевых функций — действий, связанных с установлением связи между узлами сети и с передачей данных в сети.
Однако частично изменяются и рассмотренные выше функции операционной системы. Прежде всего это относится к файловой системе. При использовании сетевых ОС файловое пространство сети единое, хотя разные диски физически располагаются на разных носителях разных компьютеров. Пользователь может совершать с файлами те же операции, которые он совершает с файлами отдельного компьютера, не заботясь о том, что фактически при этом происходит перемещение информации с одного компьютера на другой.
Сетевые ОС всегда являются многопользовательскими: приходится следить за тем, кто запустил конкретную программу и кто пользуется открытым в системе файлом. Важной функцией сетевой операционной системы является обеспечение доступа пользователе)! к данным и программам. Эта функция имеет два аспекта: проверка уровня секретности данных и проверка привилегий пользователя.
Сетевая система имеет механизм кодирования уровня доступа к данным и кодирования привилегий пользователя таким образом, что всегда можно определить, имеет ли данный пользователь доступ к данному диску, каталогу или отдельному файлу. Кроме того, используются различные системы паролей, которые обеспечивают доступ к данным только того пользователя, который является владельцем этих данных или которому разрешено использовать эти данные полностью или с ограничениями (например, только для чтения).
Задание для обучающихся
- Ознакомиться с материалом.