Раздел 3. Программные средства реализации информационных процессов
Программное обеспечение – совокупность программ, позволяющих осуществлять на компьютере автоматизированную обработку информации. Программное обеспечение традиционно делят на три группы (рис. 13):
системное программное обеспечение;
прикладное программное обеспечение;
инструментальное программное обеспечение.
Рис. 13 Структура программного обеспечения
В то же время в состав основных системных средств – операционных систем – входят и компоненты прикладного ПО, например, текстовые редакторы.
Системное программное обеспечение управляет всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой, в частности с пользователем. Системное ПО включает операционные системы, средства расширения возможностей операционных систем и средства тестирования и диагностики ЭВМ.
Прикладное ПО составляют пакеты прикладных программ, предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей, а также менее крупные программы-утилиты, преследующие более узкие, но достаточно важные цели снижения трудоемкости и повышения эффективности работы пользователя.
Инструментальное ПО предназначено для создания оригинальных программных средств в любой проблемной области, включая системное ПО.
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 (рис. 14). И чем богаче системное ПО, тем продуктивнее становится работа на компьютере.
Рис. 14 Системное программное обеспечение
Базовое ПО, или BIOS, представляет программа, которая отвечает за управление всеми компонентами, установленными на материнской плате. Фактически BIOS является неотъемлемой составляющей системной платы и поэтому может быть отнесена к особой категории компьютерных компонентов, занимающих промежуточное положение между аппаратурой и программным обеспечением. Аббревиатура BIOS расшифровывается как Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода.
Раньше в системе IBM PC основным назначением BIOS 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 BIOS является процедура тестирования (POST – Power On Self Test) всего установленного на материнской плате оборудования (за исключением дополнительных плат расширения), проводимая после каждого включения компьютера.
Третьей важной функцией, которую BIOS выполняет со времен IBM PC, является загрузка ОС. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не только с гибкого или жесткого диска, но и с приводов CD-ROM, ZIP, LS-120, SCSI-контроллеров.
С появлением процессоров Pentium BIOS стала выполнять еще одну функцию – управление потребляемой мощностью, а с появлением материнских плат форм-фактора (стандартизированный размер) ATX (Advanced Technology extended – расширенная продвинутая технология) – и функцию включения и выключения источника питания в соответствии со спецификацией ACPI (Advanced Configuration and Power Interface – продвинутый интерфейс конфигурирования и управления потребляемой мощностью).
Операционная система (ОС) – комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы.
Назначение ОС – организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач.
Классификация ОС:
по количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские и многопользовательские;
по числу одновременно выполняемых процессов: однозадачные и многозадачные;
по типу интерфейса: командные и графические;
по типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделенным временем и реального времени.
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.
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.
Файловая система – еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Основной задачей, которую решает файловая система, является обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода.
Основные функции, выполняемые файловой системой, можно условно разделить на две группы:
функции для работы с файлами (создание, удаление, изменение атрибутов и др.);
функции для работы с данными (чтение, поиск, запись и т.д.).
В логическом плане файловую систему можно разделить на следующие составные части:
файлы, хранящиеся на устройстве ввода/вывода;
структура файлов;
функции работы с файлами и их структурой.
Файл – это наименьший именованный массив информации; основная единица организации информации на носителе. Основным атрибутом файла является его имя – символьная строка, длина которой зависит от конкретной файловой системы. Во многих ОС имя файла может состоять из двух частей, разделенных точкой, например progr.exe. Часть имени файла после точки называется расширением файла и обычно означает тип файла. Другие атрибуты файла, которые могут использоваться файловой системой – это размер файла; время создания, последнего доступа и последнего изменения; информация о доступе к файлу, а также признаки файла – скрытый, системный, архивный, временный и др.
Для логической организации файлов используются каталоги. Каталог – это файл, который содержит информацию о входящих в него файлах. Структура каталогов в зависимости от файловой системы может быть древовидной и сетевой.
Утилиты или служебные программы – это программы, используемые при работе или техническом обслуживании компьютера для выполнения вспомогательных функций.
Файловые менеджеры предназначены для разнообразной работы с файлами: копирования, переноса, удаления и др.
Форматирование дисков – процесс разметки устройств хранения или носителей информации. Различают низкоуровневое и высокоуровневое форматирование. Форматировать можно как новые диски, так и бывшие в употреблении, принимая в расчет то, что при форматировании информация, записанная на диске, теряется.
Дефрагментация дисков – процесс обновления и оптимизации логической структуры раздела диска с целью обеспечить хранение файлов в непрерывной последовательности кластеров.
Проверка дисков на наличие ошибок позволяет проверить целостность файловой системы и поверхности диска. Целостность файловой системы определяется правильностью имен файлов, правильностью даты и времени создания файла, уникальностью имен файлов, отсутствием файлов с общими кластерами, отсутствием кластеров, не принадлежащих ни одному файлу.
Очистка диска осуществляется для освобождения места, занимаемого уже ненужными файлами.
Архивация данных – это сжатие одного или более файлов с целью экономии памяти и размещение сжатых данных в одном архивном файле; это уменьшение физических размеров файлов, в которых хранятся данные, без значительных информационных потерь.
Архивация проводится в следующих случаях, когда необходимо:
создать резервные копии наиболее ценных файлов;
освободить место на диске;
передать файлы по электронной почте.
ППО, классифицируя по назначению, можно разделить на прикладные программы общего назначения и прикладные программы специального назначения (рис. 15). Классификация весьма условна потому, что некоторые типы программ (например, программы, обрабатывающие тексты) имеют своих представителей и в классе общего назначения (редакторы и процессоры) и в классе профессиональных программ (издательские системы).
Рис. 15 Прикладное программное обеспечение
Прикладное программное обеспечение общего назначения используется для решения наиболее общих задач информационного характера в любой сфере человеческой деятельности. Оно объединяет в себе широко используемые программы большинством пользователей персональных компьютеров, например, текстовые редакторы, электронные таблицы, графические системы, игры, развлечения.
К программам, обрабатывающим тексты, относятся текстовые редакторы и текстовые процессоры. Граница между ними весьма условна. Текстовые редакторы , например, NotePad способны выполнять основные функции редактирования: набор, внесение исправлений, сохранение, работа с фрагментами. Текстовые процессоры, например, Microsoft Word, кроме того, имеют возможности разнообразного оформления, а некоторые позволяют создавать документы, предназначенные для просмотра не в бумажном виде, а на компьютере (электронные документы). На уровне специального ППО, программы, обрабатывающие тексты, представлены специализированными текстовыми редакторами и издательскими системами, которые автоматизируют процесс верстки полиграфических изданий. Издательские системы отличаются расширенными средствами управления взаимодействия текста с параметрами страницы и графическими объектами, но имеют более слабые возможности по автоматизации ввода и редактирования текста. Их целесообразно применять к документам, которые предварительно обработаны в текстовых процессорах и графических редакторах.
Основное назначение электронных таблиц – обработка различных типов данных, представляющихся в табличной форме, например, планово-финансовые, бухгалтерские документы, небольшие инженерные расчеты. Основное преимущество электронных таблиц, в сравнении с текстовыми процессорами (где тоже могут вестись таблицы, производиться небольшие вычисления и сортировка), в том, что содержание одних ячеек может меняться автоматически в соответствии с изменением содержания других. Иными словами, ячейки могут быть функционально зависимы. Кроме того, табличные процессоры имеют возможности ведения небольших баз данных и визуализации данных в виде различных таблиц, диаграмм и графиков, т.е. средства ведения таблиц, средства табличных расчетов подкрепляются возможностями создания наглядных отчетов. Они находят широкое применение в бухгалтерском учете, анализе финансовых и торговых рынков, средствах обработки результатов научных и экономических экспериментов, т.е. в автоматизации регулярно повторяемых вычислений больших объемов числовых и текстовых данных, представляющих табличные структуры.
Графические системы – это программы, предназначенные для работы с графическими изображениями. К ним относятся редакторы растровой и векторной графики, программы обработки трехмерной графики (ЗD-редакторы). Растровые редакторы для представления изображений используют растры, т.е. совокупности точек, имеющих свой цвет и яркость. В них удобно обрабатывать фотографии и объекты, имеющие мягкие цветовые переходы. Основа векторного представления – линия (ее уравнение). Векторные редакторы удобны для работы с чертежами и рисованными картинками. Редакторы трехмерной графики используются для создания пространственных графических композиций, позволяют проследить взаимодействия трехмерных объектов между собой и трехмерных объектов с источником света.
Системы управления базами данных (СУБД) позволяют работать с большими объемами структурированных данных – базами данных (как правило, это табличные структуры). В функции СУБД входит: описание данных, доступ к данным, поиск, отбор данных по определенным критериям. Большинство современных СУБД позволяют создавать небольшие программы обработки данных на встроенных языках, имеют оформительские возможности, позволяющие на основе собранных и обработанных данных создать отчет. Множество СУБД, также как и текстовые процессоры, имеют своих представителей и в ППО общего и в ППО специального назначения. На уровне ППО общего назначения – это настольные СУБД, на уровне специальном – это большие СУБД, составляющие основу информационных систем и позволяющие работать в компьютерных сетях.
Развитие науки и техники во все времена приводило к созданию новых видов представления информации. Так развитие механики породило книгопечатание, развитие электротехники – радио и телевидение. Развитие электроники обеспечило новые средства хранения и накопления информации – механическая, магнитная и оптическая запись. Появление и развитие компьютеров привело к созданию совершенно нового способа представления и хранения разнородных материалов – мультимедиа.
Мультимедиа – это технология использования компьютера с применением всех доступных технических средств: звука, графического изображения, видео изображения, мультипликации, радио, телевидения. То есть мультимедиа технология, позволяет одновременно использовать различные способы представления информации: числа, текст, графику, анимацию, видео и звук. Важной особенностью мультимедиа технологии является ее интерактивность, т.е. то, что пользователю отводится активная роль. Интерактивной называется программа, реагирующая на действия пользователя появлением различных эффектов. Графический интерфейс мультимедийных проектов обычно содержит различные управляющие значки (кнопки, текстовые окна и т.д.). Примером интерактивной программы может быть игровая программа для детей, в которой можно щелкать по различным предметам и действующим лицам и вызывать их звучание или действия. Например, на экране изображен сельский двор. Если щелкнуть мышкой по калитке, то она заскрипит, если щелкнуть по собачьей конуре, то из нее появится собака, полает и скроется в будке. Если щелкнуть по птичке на дереве, то она пропоет трель и т.д.
ППО специального назначения решает более узкие задачи, а также задачи профессионального характера в различных предметных областях.
Экспертные системы представляют собой дальнейшее развитие систем управления базами данных. Они предназначены для анализа данных, хранящихся в базах знаний. В отличие от СУБД, позволяющих производить операции манипуляции данными, экспертные системы производят логический анализ данных, имеют функции самообучения.
Системы автоматизированного проектирования предназначены для автоматизации процессов конструирования, применяются в машиностроении, строительстве, архитектуре. Они позволяют создавать чертежную документацию, адаптированную в конкретной предметной области, а также имеют справочники, средства проведения расчетов.
Профессиональные программные продукты в настоящее время получили широчайшее развитие. Это бухгалтерские системы, автоматизированные системы управления, автоматизированные системы научных исследований и многие другие.