2.6 Программное обеспечение скп
2.6.1 Структура программного обеспечения
В программное обеспечение СКП (ПО) входят программы на машинных носителях, тексты программ, инструкции по использованию и другие документы, необходимые для их эксплуатации.
Структура ПО СКП представлена на рисунке 2.9. Системное программное обеспечение включает общие и специализированные операционные системы (ОС). К общим ОС относятся системы MS-DOS, Windows, Linux и др., к специализированным - системы, создаваемые специально для управления уникальными программными комплексами, например подсистемами СКП.
Операционной системой называется комплекс программ, который организует весь вычислительный процесс в ЭВМ, включая решение задач, ввод и вывод данных и т.д., с целью эффективного использования ресурсов ЭВМ и предоставления пользователю максимальных услуг при работе.
EMBED
Word.Picture.8
2.6.2 Общие операционные системы
Структура и функции общих операционных систем (ООС) имеют различия в зависимости от режимов использования ЭВМ. В персональных ЭВМ применяется однопрограммный режим, позволяющий использовать все ресурсы машины одному пользователю. В больших ЭВМ, применяемых в СКП, чаще всего используются мультипрограммный режим, и режим разделения времени, обеспечивающие одновременную работу нескольких пользователей. В первом режиме процессор предоставляется очередной задаче, если решение предыдущей задачи завершено или возникло прерывание по той или иной причине. Во втором случае каждой из задач поочередно предоставляется квант процессорного времени, причем все они имеют одинаковый приоритет. Величину кванта времени задают при генерации ОС. Если задача не решается в течение выделенного ей времени, то промежуточные результаты сохраняются во внешней памяти ЭВМ. При следующем предоставленном кванте времени задача переписывается в оперативную память и решение продолжается. Режим разделения времени предпочтительней, поскольку при нем пользователи более независимы друг от друга по сравнению с мультипрограммным режимом, при котором зацикливание одной задачи приостанавливает решение всех других.
Возможен также режим реального времени, в котором ООС должна так управлять вычислительным процессом, чтобы обеспечить решение задач в темпе, определяемом некоторым внешним по отношению к ЭВМ процессом. При этом данные обрабатываются сразу по мере поступления, и результаты выдаются в требуемые интервалы времени.
Структура типовой ООС приведена на рисунке 2.10.
Программа начальной загрузки подготавливает оперативную память ЭВМ, выделяя необходимые разделы, вводит в нее ядро ОС - системные программы, постоянно находящиеся затем в оперативной памяти, и запускает (инициирует) эти программы, выполняя инициализацию ядра ОС. При этом в память могут загружаться различные варианты и сочетания системных программ и тем самым генерироваться различные конфигурации ОС, соответствующие типу ЭВМ, составу периферийных устройств, режиму обработки заданий и т.д.
Управление заданиями выполняется программой-планировщиком (супервизором заданий). В его функции входят:
контроль правильности записи управляющих операторов на языке управления заданиями, наличия разделителей между заданиями, правильности записи имен отдельных модулей программ;
назначение устройств ввода-вывода разным программам, управление установкой носителей информации (нужных катушек магнитной ленты, пакетов дисков, рулонов бумаги и т.д.);
планирование прохождения заданий (последовательное, приоритетное).
Управление задачами (работами) выполняется супервизором работ, который контролирует прохождение программы (задания) с момента ввода до получения результатов. В функции супервизора работ, часто называемого просто супервизором, входит обработка всех видов прерываний, возникающих при выполнении задач.
Прерыванием называется сигнал, генерируемый в вычислительной системе при возникновении определенных ситуаций. Например, прерывания от ввода-вывода, программные прерывания, прерывания при обращении к супервизору, внешние прерывания, прерывания от схем контроля ЭВМ. Обработка прерывания супервизором заключается в выявлении причины прерывания и выполнении действий, регламентируемых возникшим прерыванием (изменение работы отдельных устройств ЭВМ, сообщение оператору, остановка вычислений и т.д.).
Кроме обработки прерываний, в функции супервизора входит управление выполнением задач, памятью, таймером, устройствами ввода-вывода, программами с оверлейной структурой (с использованием одних и тех же разделов памяти для хранения и выполнения разных модулей программы) и т.д. Отдельные управляющие программы, выполняющие перечисленные функции, также называются супервизорами.
Управление данными включает программы организации и перемещения данных между оперативной памятью и внешними носителями, ввод и вывод данных с разным типом организации, анализ ошибок при вводе-выводе, совмещение операций ввода-вывода и обработки данных, объединение записей в блоки и деблокирование записей и т.д.
Системные обрабатывающие программы работают на разных этапах обработки программы (рисунок 2.11). Исходная программа, написанная на языке программирования, средствами языка управления заданиями разделяется на отдельные автономные части, называемые исходными (символьными) модулями. Программы-трансляторы переводят текст каждого исходного модуля с языка программирования на машинный язык или промежуточный язык, близкий к машинному. Оттранслированный исходный модуль называется объектным модулем. Среди трансляторов различают интерпретаторы и компиляторы.
При компиляции вся исходная программа сразу превращается в последовательность машинных команд. После этого полученная результирующая программа выполняется ЭВМ с имеющимися исходными данными. Достоинство такого способа состоит в том, что трансляция выполняется один раз, а многократное выполнение результирующей программы может осуществляться с большой скоростью. Вместе с тем отладка и видоизменения транслированной программы весьма затруднены.
При интерпретации исходная программа хранится в памяти ЭВМ почти в неизменном виде. Программа-интерпретатор декодирует операторы исходной программы по одному и тут же обеспечивает их выполнение с имеющимися данными. Интерпретируемая программа легко отлаживается и видоизменяется. Зато выполнение программы происходит достаточно медленно, поскольку при каждом исполнении заново осуществляется поочередная интерпретация всех операторов.
Объектные модули представляются независимо от языка программирования в некотором промежуточном, общем для всех трансляторов формате. В объектном модуле обращения к подпрограммам заменяются на так называемые адресные ссылки, неопределенные при трансляции, поэтому объектные модули еще не являются готовой к исполнению программой и требуют дополнительной обработки, называемой редактированием.
Программа редактор связей устанавливает связи между данными и соответствие по адресам между объектными модулями, которые после этого называются загрузочными или абсолютными модулями. Редактор связи формирует также из отдельных объектных и загрузочных модулей один общий, готовый к выполнению загрузочный модуль.
Программа загрузчик помещает загрузочный модуль в оперативную память, назначает начальный адрес выполнения программы и, возможно, осуществляет запуск программы.
Программы отладчик и редактор служат для нахождения ошибок в программе и их исправления. Отладчик позволяет осуществить трассировку (отслеживание выполнения программы в пооператорном варианте), идентификацию места и вида ошибок в программе, “наблюдение” за изменением значений переменных, выражений и т.п.
Программа сортировки и слияния (объединения) данных размещает их в заданном порядке, сортирует, объединяет данные, размещенные на разных носителях и др.
Программы-утилиты (вспомогательные программы) перемещают данные с одного носителя на другой, обеспечивают печать данных, каталогов, оглавлений библиотек, разметку дисков, редактирование файлов, отладку программ и т.д.
2.6.3 Специализированные операционные системы
Специализированные операционные системы (СОС) в отличие от общих ОС предназначены для управления выполнением конкретных прикладных задач с учетом их содержания. Обычно СКП состоит из отдельных программ, реализующих тот или иной вид проектирования (расчет, анализ, моделирование, трассировка, размещение, компоновка и т.д.) и работающих под управлением СОС.
Типовой состав СОС представлен на рисунке 2.12. СОС работает, как правило, в так называемом режиме РСР - первичной управляющей программы, когда выполняется одно задание и его обслуживают все ресурсы, выделенные для данного задания ООС. Таким образом, СОС играет роль вторичной операционной системы по отношению к ООС, которая может выделять ресурсы и планировать задания для разных СОС, причем возможна их параллельная работа.
Эта особенность СОС объясняет отсутствие в ней программ начальной загрузки СОС и программ управления заданиями, функции которых выполняются общей ОС, например ОС Windows.
Пунктами задания при решении задач проектирования РЭА могут быть ввод описания РЭА, трансляция описания РЭУ с входного языка во внутренние форматы программы, расчет статистического режима, расчет переходных процессов, печать результатов расчета и т.д. Цепочка из этих пунктов образует задание на проектирование РЭА.
Роль супервизора пунктов задания в СОС играет специальная управляющая программа, называемая обычно монитором. Монитор инициирует подпрограммы ПП1, ПП2, ..., ППN (рисунок 2.13), реализующие
EMBED
Word.Picture.8
отдельные пункты задания. В простейшем случае программа-монитор состоит из операторов обращения к этим подпрограммам.
Помимо монитора управления выполнением пунктов задания, в СОС могут входить различные другие программы.
Конкретный состав программ СОС определяется назначением СКП и может быть различным, однако в качестве типовых программ можно назвать следующие.
Обслуживающие программы-утилиты:
программы ввода описаний и директив, входящих в язык проектирования. Обычно из-за различия конструкций этих описаний каждое описание вводится отдельной программой;
программы управления выводом. Вывод результатов может осуществляться в виде отдельных чисел, таблиц или графиков (в ОС Windows для графического вывода можно использовать системные программы машинной графики);
программа управления библиотекой, используемая для организации библиотек моделей элементов и выполняющая роль СУБД специализированной базы данных;
программы, печатающие диагностические сообщения о причинах сбоев в работе СКП.
Обрабатывающие программы:
трансляторы описаний и директив, входящих в язык проектирования. Обычно эта трансляция состоит в сортировке и перекомпоновке описаний в отдельные массивы, структура и содержание которых определяется удобством разработки программы.
Транслятор с языка моделирования, обычно представляющего расширение какого-либо процедурно-ориентированного языка.