информатика / Инф1_Л 12_Программное_обеспечение_работы_ЭВМ

Тема: Программное обеспечение работы ЭВМ.

Учебные вопросы:

1. Основы управления работой ЭВМ.

2. Классификация ПО.

3. Системное ПО.

4. Файловая система.

1.

В 1948 году в США и Европе вышла книга американского математика Норберта Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Родилась новая наука – кибернетика.

С точки зрения кибернетики взаимодействие между управляющим и управляемым объектами рассматривается как процесс информационного обмена. Оказалось, что самые разнообразные процессы управления происходят сходным образом, подчиняются общим принципам. В наиболее общем виде процесс управления можно представить в виде схемы.

Управляющий объект	Управляющая информация (команды)	Управляемый объект

Управляющая информация передаётся в форме команд.

Управление – целенаправленный процесс по заданному изменению управляемого объекта оправляющим объектом.

Последовательность команд управления, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.

Объект управления, следовательно, является исполнителем управляющего алгоритма.

Значительно чаще в природе встречается более сложный процесс управления с обратной связью. Схема процесса управления приобретает другой вид.

Управляющий объект		Управляющая информация (команды)	Управляемый объект
	Информация о состоянии управляемого объекта

При наличии обратной связи управляющий алгоритм может изменяться в зависимости от состояния управляемого объекта.

Классификации систем управления:

По степени автоматизации: ручные; автоматизированные; автоматические; компьютеризированные.

По принципу действия: механические; гидравлические; пневматические; электромеханические; электронные.

По методу управления: командные; пакетные; диалоговые; адаптивные.

Командные системы управления.

Управляющий объект выдаёт отдельные команды управляемому объекту, который получив их распознаёт и выполняет. Управляющий объект сам формирует, или получает и передаёт команды управления от вышестоящих элементов системы управления. Командное управление наиболее простое для технической реализации.

Недостатки. Если управляющий объект человек то: − он снижает возможную производительность ЭВМ; − он должен знать правила ввода системных команд управления.

Пакетные системы управления.

Пакет – это заранее сформулированная последовательность команд (список инструкций, программа).

В этом случае объект управления выдаёт управляемому объекту весь пакет команд сразу. После чего часть процесса управления выполняет специальный управляющий элемент, встроенный в управляемый объект.

В результате: − повышается производительность; − процесс управления состоит из двух этапов: • создания пакета команд – программы; • исполнение команд управления в соответствии с программой.

Пакетные системы управления.

В диалоговом режиме управляемый объект сам обращается к управляющему объекту с запросами, позволяющими выбрать способ управляющего воздействия. Особенность диалоговых систем заключается в том, что запрос к управляющему объекту может быть неформальным, записанным понятным человеку языком, и, к тому же, сопровождаться разъяснениями. Для пользователя ЭВМ эта система позволяет иметь квалификацию, позволяющую только осуществлять осознанный выбор способа управления (не надо знать язык программирования, устройство ЭВМ и др.).

Недостаток. ЭВМ использует много ресурсов на организацию удобного интерфейса пользователя.

Адаптивные системы управления.

Наличие обратной связи позволяет достичь цели управления даже в особо сложных условиях.

Адаптация – это процесс активного приспособления к изменениям окружающей среды.

В вычислительной технике адаптивный механизм управления действует в частности при работе с манипулятором – мышь.

Пример: щелчок кнопки мыши – командное управление; наведение курсора мыши на графический объект – адаптивное (если закрыть глаза то обратная связь прервётся).

Технические системы не работают самостоятельно. Они или взаимодействуют с другими техническими системами, или с человеком. Совокупность средств, с помощью которых осуществляется управление, называется системным интерфейсом. В информатике средства управления, обеспечивающие взаимодействие ЭВМ и пользователя, называются интерфейсом пользователя.

2.

Вся совокупность хранящихся на всех устройствах долговременной памяти ЭВМ программ составляет систему, названную программное обеспечение (ПО).

ПО ЭВМ можно изменять, пополнять, развивать – конфигурировать. Современные средства программирования позволяют реализовать в ЭВМ любую систему управления: командную, пакетную, диалоговую и адаптивную.

Компьютерные программы принято классифицировать по функциональному принципу, занимаемому ими в общей функциональной схеме работы ЭВМ.

Четырёхуровневая классификация.

1. Базовое ПО. Относят к нижнему уровню. Оно предназначено для непосредственного управления устройствами ЭВМ и характеризуется тем, что располагается внутри самих устройств.

Например, программы базовой системы ввода – вывода (BIOS), записанные в постоянном запоминающем устройстве, подключённом к системной плате.

2. Системное ПО. Является следующим функциональным уровнем. Обеспечивает работоспособность всей системы устройств в целом, обработку и хранение данных, а также организует интерфейс пользователя. Комплекс системных программ хранится на носителе данных (постоянной памяти), избранном в качестве системного носителя (диск С жесткого диска).

После включения ЭВМ BIOS производит перенос комплекта системного ПО в оперативную память – загрузку компьютера.

Главной частью системного ПО является комплекс программ называемых операционной системой (ОС).

Другую часть составляет служебное ПО. Прежде всего, оно применяется при обслуживании, диагностике, наладке, тестировании, восстановлении системы.

Служебные программы – драйверы (утилиты) позволяют организовать нестандартное управление работой устройств.

3. Системы программирования. К ним относят ПО, обеспечивающее возможность создания новых программ для ЭВМ.

4. Прикладное ПО. Относят к высшему функциональному уровню, так как оно является целевым. Это важное средство автоматизации научной, производственной, творческой деятельности. Предназначено для конкретной работы с разными видами данных.

3.

Набор разнообразных устройств и многочисленных программ ЭВМ в слаженно действующее целое превращает операционная система.

Если ЭВМ исполняет одно единственное задание, то операционная система не нужна. ЭВМ первого поколения операционной системы не имели. В любой момент времени с этими ЭВМ работал один человек, который сам вводил и команды управления и данные для вычисления (командная система управления).

Необходимость в ОС появилась из потребностей:

• Одновременно выполнять несколько заданий (многозадачность);

• Одновременно работать с несколькими пользователями;

• Распределять задания между несколькими процессорами;

• Работать с большими массивами данных и многими программами.

В ЭВМ второго поколения между пользователем и машиной появился оператор, который собирал задания и формировал из них пакеты. Специальные программы, помогавшие операторам формировать пакеты, управлять очередностью выполнения заданий и контролировать их исполнение, стали первыми операционными системами.

ЭВМ третьего поколения обладали достаточной производительностью, чтобы предоставить пользователям возможность работать и ними через терминал, состоящий из клавиатуры и дисплея. Обеспечивалась возможность работы многих пользователей одновременно (многотерминальность и многозадачность). На самом деле процессор ЭВМ быстро переключатся на выполнение программ разных пользователей. Такой метод организации работы получил название − режим разделения времени. Многозадачность стала одной из важнейших функций ОС. Появилась возможность применения диалоговой системы управления.

В первых ЭВМ третьего поколения данные и программы вводились с помощью носителей, работавших на принципе электромагнитной записи: лентах, гибких дисках. Монтировал эти носители информации в читающее устройство оператор. В середине 70^х годов XX века появились носители информации значительно большей ёмкости – жёсткие диски, устанавливаемые в ЭВМ стационарно. Отпала последняя потребность в работе оператора. Но вместо неё появилась потребность в организации доступа к данным и программам на жёстком диске.

Для управления созданием, поиском, чтением, копированием, перемещением, переименованием, удалением и т.д. данных и программ были созданы специальные системы управления, получившие название файловые системы.

С появлением в 80^х годах XX века персональных компьютеров созданием устройств ЭВМ занималось много производителей (фирм). Для обеспечения совместной работы таких устройств и ОС ЭВМ начали создавать специальные программы – драйверы.

Драйвер устройства – это программа системного уровня, управляющая устройством конкретного производителя и подключающаяся к работе ОС (встраивающаяся).

Персональные компьютеры, доступные неспециалисту, потребовали новых принципов управления, подходящих любым (даже не обученным) пользователям. Для человека наиболее естественным и удобным является механизм адаптивного управления. Чтобы реализовать принцип адаптивного управления в ЭВМ потребовались ОС нового типа. Их назвали графическими.

Принцип управления такими ОС основан на взаимодействии в какой-либо области экрана монитора двух элементов управления: активного и пассивного. Пассивный элемент предоставляет сама система, а активным (указателем) – управляет пользователь с помощью устройства позиционирования.

Создатели системного ПО, совершенствуя ОС, придавали им всё больше функций.

Самый минимально необходимый набор средств для управления ресурсами большинства восьмиразрядных ЭВМ предоставляли ОС семейства CP/M.

Более развитыми средствами управления, гибкой файловой системой, основанной на иерархической структуре каталогов, и удобным для пользователя командным языком обладают ОС семейства MS DOS, получивших распространение в 16-разрядных ЭВМ.

Для крупных вычислительных центров, обслуживающих сотни пользователей одновременно, крайне важны производительность и надёжность. В таких случаях применяют одну из ОС семейства UNIX (в вычислительных центрах, на серверах).

В тех случаях, когда от ЭВМ требуется универсальность, а также, когда с ЭВМ работает неподготовленный пользователь, применяют ОС семейства Windows. Эта ОС из за своей универсальности не является самой эффективной и надёжной. Зато к ней разработано большое количество программного ПО, с ней совместимы многочисленные прикладные программы. Windows является графической, объектно-ориентированной ОС.

Объектно-ориентированный подход позволяет очень просто описать процесс управления. Он заключается в выборе объекта, активации его методов и изменении его свойств.

В основе такой ОС находятся пять типов объектов.

Типы объектов ОС Windows:

1. Устройства.

2. Файлы данных.

3. Программные приложения.

4. Информационные связи (например, гиперссылки).

5. Объекты – контейнеры.

Объекты контейнерного типа предназначены для группировки и совместного хранения (отображения) других объектов. Характерными их свойствами являются структура и размер. Различают контейнеры логические (папка) и графические (панель, окно).

ОС регистрирует свои объекты и их свойства во внутренней базе данных, которая называется Реестр Windows.

Двухмерная растровая графика ОС Windows образует визуальный канал обратной связи, необходимый для действия механизма адаптивного управления. Роль активного элемента здесь выполняет курсор мыши. Пассивными элементами являются графические элементы ОС. При наведении активного элемента управления на пассивный система регистрирует событие и запускает процесс, соответствующий данному событию.

ОС Windows реализует семь приёмов графического управления:

1. Наведение курсора (указателя).

2. Щелчок (левой клавишей мыши).

3. Двойной щелчок (левой клавишей мыши).

4. Специальный щелчок (правой клавишей мыши).

5. Перетаскивание (левой клавишей мыши).

6. Специальное перетаскивание (правой клавишей мыши).

7. Изменение размеров графического объекта.

4.

В процессе совершенствования ЭВМ и ПО ещё одна проблема требовала разрешения – хранение и использование возрастающего количества данных и программ. Естественно, что хранить их следовало так, чтобы ими удобно было пользоваться. Данные и программы должны быть организованы для хранения, то есть быть структурированы.

Для подобной организации подходят три типа структур – линейная, табличная и иерархическая.

Названные структуры можно рассмотреть на примере книги. Если разобрать книгу на отдельные листы и перемешать их, книга по-прежнему останется набором данных, но получить из неё нужные данные станет значительно труднее.

Если собрать листы в правильной последовательности (по номерам), появляется простейшая структура данных – линейная (список).

Для быстрого поиска данных в книге существует другая структура. Книга составляется из частей – разделов, глав, параграфов и т.д. в этой структуре элементы низкого уровня составляют элемент более высокого уровня. Это иерархическая структура.

В большинстве книг есть вспомогательная перекрёстная таблица – оглавление, связывающая элементы линейной и иерархической структур. Такова табличная структура.

Линейные структуры данных – это упорядоченные структуры, в которых элементы находят по адресу, однозначно определяемому его уникальным номером.

Табличные структуры данных – это упорядоченные структуры, в которых элементы находят по адресу ячейки, где они расположены. Адрес ячейки состоит из номера столбца и номера строки таблицы, пересечение которых и образует ячейку.

Нерегулярные данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы, часто организуют в виде иерархической структуры (например, система почтовых адресов).

Иерархические структуры данных – это упорядоченные структуры логически связанных между собой элементов, имеющих уникальное имя или уникальный адрес.

Данные в ЭВМ записываются двоичным (битовым) кодом. Наименьшей единицей такого представления является группа из восьми ячеек – байт.

Долгое время ЭВМ работали с таким восьмиразрядным кодированием. Позже оказалось, что удобнее применять 16, 24, 32 и большего разряда коды. Группу из 16 бит (двух байтов) в информатике назвали машинным словом, из 24 – удвоенным машинным словом. Увеличение разрядности ЭВМ способствовало совершенствованию структур записи данных.

Очень важным моментом в развитии ПК явилось предоставление пользователю возможности самостоятельно ориентироваться в структуре данных и работать с данными.

Эта возможность была реализована, когда в качестве единицы хранения данных был принят объект переменной длины (группа ячеек памяти), названный файлом.

Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла является уникальным адресом группы данных неограниченного размера и содержит информацию о типе этих данных. Состоит из двух частей – собственно имени и расширения, разделённых точкой.

Пользователь ПК ориентируется и осуществляет действия с данными с помощью иерархической файловой структуры. Кроме файлов, составляющих низший уровень, элементами этой структуры являются папки и каталоги. ОС предоставляет пользователю возможность работать с файловой структурой, используя элементы интерфейса. Пользователь может работать с файлами программ и с файлами данных, указав путь к нужному файлу перечислением всех элементов иерархической структуры, включающих в себя файл.

Сама ОС работает с данными, используя другой тип структуры данных – табличную структуру.

Сведения о том, в каком месте памяти записан тот или иной файл, хранятся в так называемой системной области памяти в специальных таблицах размещения файлов (FAT).

Наименьшая единица адресации к данным, организованным в файлы, называется кластером. Кластер может содержать в себе определённое для каждого вида файловых структур количество наименьших физических единиц хранения данных, называемых сектор. Размер сектора постоянен и составляет 512 байт.

Виды файловых систем: FAT 8, FAT 16, FAT 32, NTFS.