2.2. Класифікація програмного забезпечення

Програмне забезпечення (ПЗ) – сукупність програм, процедур і правил, а також документація, які стосуються функціонування системи обробки даних.

Програмне забезпечення (ПЗ) складається з базового, системного, службового й прикладного.

Склад програмного забезпечення комп’ютера називають програмною конфігурацією.

Між програмами існує взаємозв’язок – більшість програм працюють ґрунтуючись на програмах більш низького рівня, тобто можна вести розмову про міжпрограмний інтерфейс.

Рівні програмного забезпечення представляють собою пірамідальну конструкцію. Кожний наступний рівень базується на програмному забезпеченні попередніх рівнів.

Прикладне ПЗ

Службове ПЗ

Системне ПЗ

Базове ПЗ

Рис. 2.1. Ієрархічна структура програмного і апаратного забезпечення

Базовий (апаратний) рівень ПЗ – відповідає за взаємодію з базовими апаратними засобами. Зазвичай, базові програмні засоби безпосередньо входять до складу базового обладнання і зберігаються у спеціальних мікросхемах ROM. Програми і дані записуються („прошиваються”) у мікросхеми ПЗП на етапі виробництва й не можуть бути змінені в процесі експлуатації.

У тих випадках, коли зміна базових програмних засобів у процесі експлуатації є технічно доцільною, замість мікросхем ПЗП застосовують ПЗП які можна перепрограмувати (Erasable and Programmable Read Only Memory – EPROM). У цих випадках зміна змісту ПЗП може здійснюватись, як безпосередньо у складі обчислювальної системи, так і поза нею, на спеціальних пристроях, які називаються програматорами.

Системний рівень ПЗ – це комплекс програм, які забезпечують посередницькі функції між апаратним та службовим і прикладним програмним забезпеченням і призначені для управління роботою ПК і його пристроями, для тестування та настроювання обладнання, розподілу ресурсів, забезпечення інтерфейсу користувача з комп'ютером тощо.

Службовий рівень ПЗ – це програми-оболонки, що спрощують роботу користувача, а також програми-утиліти, призначені для тестування ПК і його пристроїв, для настроювання обладнання, виправлення помилок у файловій системі тощо.

Прикладний рівень ПЗ – це програми, призначені для вирішення них прикладних задач у галузі математики, фізики, хімії, біології, проектування, економіки, фінансових і бухгалтерських розрахунків, ГІС, геодезії, землевпорядкування, водопостачання тощо.

Системи програмування призначені для створення нових прикладних програм, розроблених з використанням або різноманітних систем програмування (Сі++, Паскаль, Модула-2, Фортран), або сучасних систем об’єктно-орієнтованого програмування (Visual Basic, Delphi, Java, Power Builder).

2.3. Системне програмне забезпечення

Системне програмне забезпечення (system software) – сукупність програм та програмних комплексів для забезпечення роботи комп’ютера та комп’ютерних мереж.

Системне програмне забезпечення – це ПЗ, що забезпечує інфраструктуру, на якій можуть працювати прикладні програми, тобто воно керує і контролює комп'ютерним обладнанням, для можливості виконання прикладних програм. Крім операційних систем, іншими прикладами є антивірусні програми, комунікаційні програми та драйвери принтерів.

Системне ПЗ не пов’язане з конкретним застосуванням ПК і виконує традиційні функції: планування й управління задачами, управління введенням-виведенням тощо. Іншими словами, системні програми виконують різні допоміжні функції, наприклад, створення копій використовуваної інформації, видачу довідкової інформації про комп'ютер, перевірку працездатності пристроїв комп'ютера тощо.

До системного ПЗ відносяться:

– операційні системи (ця програма завантажується в оперативно-запамятовуючий пристрій (ПЗП) при включенні комп'ютера);

– програми – оболонки (забезпечують більш зручний і наочний спосіб спілкування з комп'ютером, чим за допомогою командного рядка DOS, наприклад, Norton Commander);

– операційні оболонки – інтерфейсні системи, що використовуються для створення графічних інтерфейсів, мультипрограмування тощо.

– драйвери (програми, призначені для керування портами периферійних пристроїв, зазвичай завантажуються в оперативну пам’ять при запуску комп'ютера);

– утиліти (допоміжні або службові програми, які представляють користувачеві ряд додаткових послуг)

До утиліт відносяться:

 диспетчери файлів або файлові менеджери;

 засоби динамічного стиску даних (дозволяють збільшити кількість інформації на диску за рахунок її динамічного стиску);

 засоби перегляду і відтворення;

 засоби діагностики; засоби контролю дозволяють перевірити конфігурацію комп'ютера і перевірити працездатність пристроїв комп'ютера, перед усім жорстких дисків;

 засоби комунікацій (комунікаційні програми), що призначені для організації обміну інформацією між комп'ютерами;

 засоби забезпечення комп'ютерної безпеки (резервне копіювання, антивірусне ПЗ).

Потрібно відзначити, що частина утиліт входить до складу операційної системи, а інша частина функціонує автономно. Більша частина загального (системного) ПЗ входить до складу ОС. Частина загального ПЗ входить до складу комп'ютера (частина програм ОС і контролюючих тестів записана в ПЗП або ППЗП, встановлених на системній платі). Частина загального ПЗ відноситься до автономних програм і постачається окремо, тому його відносять до службового ПЗ.

Розробка системного ПЗ спрямована на:

– створення операційного середовища функціонування інших програм;

– забезпечення надійної й ефективної роботи самого комп’ютера і обчислювальної мережі;

– проведення діагностики і профілактики апаратури комп’ютера та обчислювальних мереж;

– виконання допоміжних технологічних процесів (копіювання, архівація, відновлення файлів програм та баз даних тощо).

Операційна система (ОС) – це комплекс програм, що керують роботою комп'ютера і надають користувачу засоби, які дозволяють керувати пристроями комп'ютера та розпоряджатися його ресурсами, наприклад, завантажувати і виконувати прикладні програми, здійснювати операції пошуку і введення-виведення даних. ОС забезпечує користувачу зручний спосіб спілкування (інтерфейс) з ПК.

Операційна система являє собою сукупність програм, які виконують такі основні функції:

• управління ресурсами комп’ютера та виконанням програм;

• організація даних у зручній для опрацювання формі;

• організація інтерфейсу користувача.

Перші комп’ютери не мали операційних систем. Програми та дані вводились в їх оперативну пам’ять безпосередньо оператором ЕОМ. Запуск програми на виконання здійснювався також оператором. Результати роботи програми зчитувався або з оперативної пам’яті, або р регістрів (внутрішньої пам’яті) процесора. Очевидно, що така робота з комп’ютером була по-перше, тривалою і незручною, по-друге, вимагала серйозної підготовки в галузі обчислювальної техніки, а по-третє, досить дорогою. Тому виникла потреба у перекладення частини функцій управління роботою ЕОМ на саму ЕОМ. Так з’явились перші ОС.

Сучасні операційні системи працюють в діалоговому режимі. Це означає, що комп’ютер знаходиться у постійній взаємодії з користувачем та технічними пристроями. Можливість такої роботи заснована на перериваннях (рис.2.2).

Рис. 2.2. Робота операційної системи в діалоговому режимі

Сутність переривання полягає у тому, що процесор виконує завдання до тих пір, поки не виникає сигнал від зовнішнього пристрою. Процесор може або одразу переключитись на опрацювання цього сигналу, або відкласти його обробку до завершення виконання поточних дій. Наприклад, якщо натискувались клавіші алфавітно-цифрової групи, а процесор виконував якусь програму, то на екрані монітора відповідні символи з’являться лише після завершення роботи програми. В даному випадку перериванням, пов’язане з введенням даних, було опрацьовано одразу, а переривання, пов’язане з виводом символів – лише після завершення програми. Такий спосіб опрацювання сигналів набагато зручніший, ніж постійне опитування процесором зовнішніх пристроїв з метою встановлення їх стану. Наприклад, якби телефон не був би обладнаний дзвінком, напевне, нам довелось би постійно піднімати слухавку, щоб визначити, чи хоче хто-небудь зв’язатись з нами.

Робота зі всіма зовнішніми пристроями заснована на перериваннях. Натискування клавіш клавіатури користувачем генерує переривання. Виведення інформації на дисплей або принтер, обмін даними з запам’ятовуючими пристроями також оснований на перериваннях. Однак, наведена функція лише одна з багатьох, які виконуються операційною системою.

Для реалізації наведених вище функцій операційна система має такі складові:

• драйвери зовнішніх пристроїв;

• ядро операційної системи;

• командний процесор.

Драйвер – це програма, яка здійснює управління роботою зовнішнього пристрою. Для стандартних зовнішніх пристроїв (клавіатури, монітора, накопичувачів) більшість драйверів реалізовані або в базовій системі вводу-виводу, яка розташована в постійній пам’яті, або у відповідному файлі драйверів. Однак в деяких випадках драйвери можуть надаватись у вигляді окремих файлів. Наприклад, для створення віртуального диска потрібно встановити драйвер RAMDRIVE.SYS.

Ядро операційної системи призначене для організації файлової системи. Як відомо, дані записуються на носій по секторам. Для опрацювання даних нам потрібно було б знати адреси всіх секторів , які належать тим чи іншим даним. Для позбавлення цієї незручності дані записуються у вигляді файлів. Сама операційна система слідкує за тим, які сектори належать файлові, а які вільні (для запису наступної порції даних), позбавляючи нас тим самим рутинної роботи по розміщенню даних.

Командний процесор виконує функції організації діалогу з користувачем. Тобто, він інтерпретує команди, що подає користувач, виконує їх, та організує вивід повідомлень про виконання цих команд.

Дані розташовуються на носіях. Кожному носієві відповідає своє логічне ім’я, яке складається з латинської літери та символу двокрапка. Накопичувачі гнучких дисків мають імена А: та В:, вінчестер – С:, CDROM -D: і так далі. Вінчестер може бути розділений на декілька частин, кожна з яких може мати своє ім’я . При цьому існують такі узгодження:

• якщо накопичувач гнучких дисків один, то він має ім’я А:

• розділи вінчестера мають імена, що починаються з С: (С:, D:, E:,…);

• накопичувач CDROM останнє ім’я в списку імен.

Основне призначення ОС – звільнити користувача від необхідності складання програм з управління апаратними компонентами ПК, а також приховати від нього усі непотрібні у практичній роботі подробиці.

Оскільки робота на ПК без ОС практично неможлива, то першою дією, що виконується після включення комп'ютера, є завантаження ОС. У пам'ять завантажуються основні частини ОС, які керують роботою ПК і сприймають команди користувача та забезпечують їх виконання. ОС завантажує програму і стежить за ходом її роботи. При виникненні ситуацій, що перешкоджають її нормальному виконанню, ОС аналізує їх і прагне забезпечити автоматичне продовження роботи або пропонує рекомендації і повідомлення відносно подальших дій. Вводячи відповідні команди, можна отримати інформацію про стан пристроїв комп'ютера і бібліотек даних на дисках, призупинити або припинити виконання програми тощо.

Залежно від кількості одночасно виконуваних задач і кількості користувачів, що обслуговуються одночасно, виділяють чотири основних класи ОС:

а) однокористувальницькі однозадачні ОС. Характерні для перших поколінь ПК. Системи, що працюють у цьому режимі, здійснюють виконання в даний проміжок часу лише одного завдання, якому належать усі ресурси системи. Ці системи називають моніторними. Прикладами таких систем є ОС СР/М фірми Digital Research (краща ОС для 12-розрядних ПК, яка потребувала всього 16 Кбайт ОП) і MS-DOS 1.1 фірми Microsoft. Операційні системи цього класу відрізнялись ощадливим використанням пам'яті, а також простою мовою управління завданнями;

б) однокористувальницькі однозадачні ОС з фоновим друком дозволяють крім однієї основної задачі запускати ще одну додаткову, орієнтовану на виведення інформації на принтер. Прикладом такої операційної системи є MS-DOS, починаються з версії 2.0. Системи, що працюють у цьому режимі, дають можливість записувати в зовнішній пам’яті відразу декілька завдань (пакет) та виконувати їх послідовно без втручання оператора. Слід зазначити, що в певний проміжок часу система обслуговує лише одне завдання, в той час як решта завдань перебуває в стані очікування у зовнішній пам’яті.

Завдання, що опрацьовується, не може бути тимчасово зупинено для виконання наступного завдання. Після закінчення поточного завдання система переходить до виконання чергового завдання з пакета. Завдання з пакета викликаються на обробку в тій послідовності, в якій вони перебувають у ньому. Недоліком цього методу є неефективне використання ресурсів ЕОМ, оскільки одне окреме завдання не може завантажити їх максимально;

в) однокористувальницькі багатозадачні ОС забезпечують одному користувачу одночасну обробку декількох задач. До цієї групи відноситься ОС ССР/М-126, а також Novell DOS 7.0. Системи в цьому режимі опрацьовують одночасно декілька завдань з пакета паралельно з їх введенням та виведенням результатів. Здійснення кожного завдання може бути зупинено для переходу до здійснення іншого завдання з наступним поверненням до зупиненого.

Правила переходу від одного завдання до іншого встановлюються з урахуванням підвищення продуктивності системи шляхом ліквідації простоїв найкоштовніших елементів машини, зокрема центрального процесора. Коли здійснення однієї програми припиняється, виконання надається іншій програмі. Але може бути так, що якась програма рідко буває в стані очікування, блокуючи тим самим інші програми. Час обробки пакета менший, ніж у процесі послідовної обробки. Ефективність використання системи багато в чому залежить від складу пакета завдань, що підлягають спільному виконанню. Інколи можуть виникнути такі проміжки часу, коли всі завдання перебувають у стані очікування, й центральний процесор простоює;

г) багатокористувальницькі багатозадачні ОС вимагають значних машинних ресурсів як для власної роботи, так і для підтримки користувальницьких задач. Основні їх риси – модульність й великий вибір системних програм. Системи, що працюють у цьому режимі, дають можливість виконувати декілька завдань одночасно. Перехід від одного завдання до іншого здійснюється через короткі проміжки часу, й у користувачів створюється враження відсутності черги на виконання їхніх завдань.

Режим розподілу часу розширює можливості мультипрограмування головним чином завдяки безпосередньому доступу до системи багатьох користувачів. Режим дає змогу отримати результати без очікування кінця обслуговування всього пакета. Режим розподілу часу поєднується з мультипрограмуванням, тобто в системі є два типи переривання виконання завдань: природний – у час очікування введення/виведення (мультипрограмування) та вимушений – у кінці проміжку часу, що призначається в кожній програмі (режим розподілу часу).

Прикладами таких ОС є операційні системи сімейства Unix (їх командна мова практично збігається з мовою Сі), OS/2, Windows NT, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows ХР.