Операции над файлами

· Создание / Удаление файла.

· Открытие / Закрытие файла.

· Присвоение / получение атрибутов, их анализ,

· Выделение места на диске, внесение записи в каталог, проверка прав доступа,

· считывание в ОЗУ списка адресов блоков файла для быстрого доступа к его данным.

· Позиционирование. Определение текущей позиции, откуда будет производиться сч/зп данных.

· Чтение / Запись данных из файла.

· Переименование файла.

Файловая система FAT

FAT – таблица размещения файлов. Состоит из:

1) Системная область

a) Загрузочная запись

b) Зарезервированные секторы

c) FAT – образ, описывающий состояние каждого участка области данных, хранится в ОЗУ

d) Корневой каталог

2) Область данных – содержит файлы и каталоги, разбита на множество кластеров

Кластер – несколько смежных секторов в области данных.

Кластеры принадлежащие 1 файлу связываются в цепочки. Файл занимает целое число кластеров.

Файловая система NTFS (New Technology FS)

Состоит из:

1) MFT – общая таблица файлов – централизованный каталог всех файлов диска

2) Зона хранения данных

NTFS Менее компактная и более сложная.

Организация ввода-вывода.

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств).

Физическая организация устройств ввода-вывода

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство - диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называется контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

Операционная система обычно имеет дело не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых компьютерах эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких компьютерах нет специальных операций ввода-вывода. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода.

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Например, контроллер гибкого диска IBM PC принимает 15 команд, таких как READ, WRITE, SEEK, FORMAT и т.д. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Организация программного обеспечения ввода-вывода

Основная идея: разбиение его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевым принципом является независимость от устройств. Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

d AAAACAEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAEgUAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAAAc BgAAAAA= " filled="f" stroked="f">

Рис. 2.30. Многоуровневая организация подсистемы ввода-вывода

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Последняя проблема состоит в том, что одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными. Диски - это разделяемые устройства, т.к. позволяют одновременный доступ нескольких пользователей. Принтеры - это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.

Для решения поставленных проблем целесообразно разделить ПО ввода-вывода на четыре слоя (рис. 2.30):

- Обработка прерываний,

- Драйверы устройств,

- Независимый от устройств слой операционной системы,

- Пользовательский слой программного обеспечения.

Обработка прерываний

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. Процесс может блокировать себя, используя, например, вызов DOWN для семафора, или вызов WAIT для переменной условия, или вызов RECEIVE для ожидания сообщения. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода, используя вызовы UP, SIGNAL или посылая процессу сообщение. В любом случае эффект от прерывания будет в том, что ранее заблок-ный процесс теперь продолжит свое выполнение.

Драйверы устройств

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Каждый драйвер управляет устройствами одного типа или, может быть, одного класса.

В операционной системе только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Драйвер устройства принимает запрос от устройств программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является чтение n блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь.

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, проверку, работает ли мотор, находится ли головка над нужным цилиндром. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности.

После передачи команды контроллеру драйвер должен решить, блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время, как при печати некоторого блока данных, то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.

Независимый от устройств слой операционной системы

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. Точная граница между драйверами и независимыми от устройств программами определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам.

Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются:

- обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств,

- именование устройств,

- защита устройств,

- обеспечение независимого размера блока,

- буферизация,

- распределение памяти на блок-ориентированных устройствах,

- распределение и освобождение выделенных устройств,

- уведомление об ошибках.

Пользовательский слой программного обеспечения

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Примером может служить функция printf языка С, которая принимает строку формата и, возможно, некоторые переменные в качестве входной информации, затем строит строку символов ASCII и делает вызов write для вывода этой строки. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит большое число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling).

Спулинг - это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе. Рассмотрим типичное устройство, требующее спулинга - строчный принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс - монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.

5. Проектирование программ. Этапы разработки ПО. Жизненный цикл программ.

1. Разработка общего алгоритма программы.
2. Описание алгоритма каждого блока общего алгоритма.
3. Выбор языка программирования и средств реализации (хранение данных, выбор формата данных и т.д., и т.п.).
4. Написание кода, задание начальных данных.
5. Отладка программы.
6. Тестирование. (Возвращение снова ко второму пункту и заново).
7. Внедрение.
8. Поддержка продукта. (Иногда это возвращение к более поздним или ранним пунктам).

Программирование – теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Решение задач на компьютере включает в себя следующие основные этапы, часть из которых осуществляется без участия компьютера.

1. Постановка задачи:

· сбор информации о задаче;

· формулировка условия задачи;

· определение конечных целей решения задачи;

· определение формы выдачи результатов;

· описание данных (их типов, диапазонов величин, структуры и т. п.).

2. Анализ и исследование задачи, модели:

· анализ существующих аналогов;

· анализ технических и программных средств;

· разработка математической модели;

· разработка структур данных.

3. Разработка алгоритма:

· выбор метода проектирования алгоритма;

· выбор формы записи алгоритма (блок-схемы, псевдокод и др.);

· выбор тестов и метода тестирования;

· проектирование алгоритма.

4. Программирование:

· выбор языка программирования;

· уточнение способов организации данных;

· запись алгоритма на выбранном языке программирования.

5. Тестирование и отладка:

· синтаксическая отладка;

· отладка семантики и логической структуры;

· тестовые расчеты и анализ результатов тестирования;

· совершенствование программы.

6. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 2-5.

7. Сопровождение программы:

· доработка программы для решения конкретных задач;

· составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.

Анализ

Различают 2 случая производства ПП: 1) ПП делается для конкретного заказчика. В этом случае нужно прикладную задачу превращать в программистскую. Нужно понять, как функционирует та среда, которую нужно автоматизировать (анализ бизнес-процессов). В результате появляется документация-спецификация требования, где указаны какие именно задачи д.б. решены и при каких условиях. Эту работу выполняет системный аналитик (аналитик бизнес-процессов).

2) ПП разрабатывается для рынка. Нужно проводить маркетинговые исследования и найти какого продукта на рынке нет. Это связано с большим риском. Цель – разработка спецификации требований.

Проектирование

Цель – определ общей структуры (архитектуры) ПП. Результат – спецификация ПП. работу выполняет сист программист.

Реализация

Написание программного кода. Реализация включает и разработку, и тестирование, и документацию.

Сборка, тестирование, испытание

Сборка всего, что сделано разными программистами. Тестирование всего программного комплекса. Отладка – поиск и устранение причин ошибок. Испытание – уточнение технических характеристик. В результате – гарантия работоспособности программы.

Внедрение (выпуск)

Внедрение – когда работают на одного заказчика. Включает постановку программы у заказчика, обучение заказчика, консультации, устранение ошибок и явных недостатков. Должно произойти отчуждение ПП – пользователь может работать с ПП без участия автора.

Выпуск – когда ПП разрабатывается на рынок. Начинается с этапа бета-тестирования. Соотв. версия – бета-версия. Альфа-тестирование – тестирование людьми из той же организации, не участвовавших в разработке программ. Бета-тестирование – изготовление нескольких экземпляров ПП и отправка потенциальным заказчикам. Цель – еще раз проверить разработку ПП.

Если на рынок выпускается принципиально новый ПП, то возможно несколько бета-тестирований. После бета-тестирование – выпуск коммерческой версии.

Сопровождение

Устранение замеченных в ходе эксплуатации ошибок. Внесение непринципиальных усовершенствований. Накопление предложений для разработки следующей версии.

Жизненный цикл программ

Жизненный цикл программного обеспечения (ПО) — период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания программного продукта и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации. Этот цикл — процесс построения и развития ПО.

Модель жизненного цикла ПО — структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении жизненного цикла. Модель жизненного цикла зависит от специфики, масштаба и сложности проекта и специфики условий, в которых система создается и функционирует.

Модели жизненного цикла:

1. Waterfall («водопад», каскадная модель)

Модель не предусматривает обратные связи (каждый элемент д.б. полностью закончен до перехода к следующему). При решении сложных задач это невозможно. Модель применима когда: 1) решается очень простая задача, 2) разрабатывается очередная версия ПП

2. Прототипирование

Сначала разрабатывается не сам программный продукт, а его прототип, содержащий решение главных проблем, стоящих перед разработчиками. После успешного завершения разработки прототипа по тем же принципам разрабатывается и настоящий программный продукт. Прототип позволяет лучше понимать требования к разрабатываемой программе. Используя прототип заказчик также может точнее сформулировать свои требования. Разработчик имеет возможность с помощью прототипа предъявить заказчику предварительные результаты своей работы.

3. Итерационная модель

Задача разделяется на подзадачи и определяется очередность их реализации т.о., чтобы каждая следующая подзадачи расширяла возможности ПП. Успех существенно зависит от того сколь удачно разделены задачи на подзадачи и как выбрана очередность. Преимущества: 1) возможность активного участия заказчика в разработке, он имеет возможность уточнить свои требования в ходе разработки; 2) возможность тестирования вновь разрабатываемых частей совместно с ранее разработанными, это уменьшит затраты на комплексную отладку; 3) во время разработки можно начинать внедрение по частям.

4. Жизненный цикл «спираль»

Каждый цикл в модели начинается с определения цели этого цикла, анализа разных путей ее достижения и возможных ограничений, оценивается степень неопределенности и риска. Выбирается стратегия проектирования, позволяющая их уменьшить. Далее разрабатывается первый прототип, следуют анализ, уточнение требований и т.д. Круг за кругом, программный продукт приближается к окончательному виду. Эта модель применяется для проектов с большой неопределенностью и риском.

Отличительной особенностью спиральной модели является специальное внимание, уделяемое рискам, влияющим на организацию жизненного цикла, и контрольным точкам. Боэм формулирует 10 наиболее распространённых (по приоритетам) рисков:

1. Дефицит специалистов.
2. Нереалистичные сроки и бюджет.
3. Реализация несоответствующей функциональности.
4. Разработка неправильного пользовательского интерфейса.
5. Перфекционизм, ненужная оптимизация и оттачивание деталей.
6. Непрекращающийся поток изменений.
7. Нехватка информации о внешних компонентах, определяющих окружение системы или вовлеченных в интеграцию.
8. Недостатки в работах, выполняемых внешними (по отношению к проекту) ресурсами.
9. Недостаточная производительность получаемой системы.

Разрыв в квалификации специалистов разных областей.

Категории специалистов, занятых разработкой и эксплуатацией программного обеспечения.

Основная категория специалистов, занятых разработкой программ, — это программисты. Программисты неоднородны по уровню квалификации, а также по характеру своей деятельности.

Системный программист – занимается разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения, поддерживающего работоспособность компьютера и создающего среду для выполнения программ.

Прикладной программист – осуществляет разработку и отладку программ для решения функциональных задач (т. е. задач по реализации функций управления в рамках информационной системы — управление деятельностью торгового предприятия, управление перевозкой грузов, планирование выпуска продукции).

Программист-аналитик – программист, анализирующий и проектирующий комплекс взаимосвязанных программ.

Постановщик задач – разработчик формальных постановок задач, требующих реализации на ЭВМ.

Администратор базы данных – человек, который обеспечивает организационную поддержку базы данных.

Администратор сети – человек, который обеспечивает организационную поддержку работы локальной сети.

Основным потребителем программ является конечный пользователь, который, как правило, не является специалистом в области программирования.

Для работы с ЭВМ существует группа специально обученных технических работников — операторов ЭВМ. Они не программируют, а используют готовые программы для обеспечения работы на ЭВМ конечных пользователей: набор текстов, печать документов, копирование информации, запись на внешние носители и др.

6. Показатели качества ПО. Стандарты качества программного обеспечения. Тестирование и обеспечение качества.

Основным стандартом качества в области инженерии программного обеспечения в настоящее время является стандарт ISO/IEC 9126. Он определяет номенклатуру, атрибуты и метрики требований качества программного обеспечения. Относительно недавно этот стандарт стал одним из определяющих факторов при моделировании качества программного обеспечения и остаётся им до сих пор.

В дополнение к нему выпущен набор стандартов ISO/IEC 14598, регламентирующий способы оценки этих характеристик. В совокупности они образуют модель качества, известную под названием SQuaRE (Software Quality Requirements and Evaluation).

Общий подход к моделированию качества программного обеспечения заключается в том, чтобы сначала идентифицировать небольшой набор атрибутов качества самого высокого уровня абстракции и затем в направлении "сверху вниз" разбить эти атрибуты на наборы подчиненных атрибутов. Стандарт ISO/IEC 9126 является типичным примером такого подхода.

Определения характеристик и субхарактеристик качества (ISO 9126-1)

Функциональные возможности - способность программного средства обеспечивать решение задач, удовлетворяющих сформулированные потребности заказчиков и пользователей при применении комплекса программ в заданных условиях.

Функциональная пригодность - набор и описания субхарактеристики и ее атрибутов, определяющие назначение, номенклатуру, основные, необходимые и достаточные функции программного средства, соответствующие техническому заданию и спецификациям требований заказчика или потенциального пользователя.

Правильность (корректность) - способность программного средства обеспечивать правильные или приемлемые для пользователя результаты и внешние эффекты.

Способность к взаимодействию - свойство программных средств и их компонентов взаимодействовать с одной или большим числом компонентов внутренней и внешней среды.

Защищенность - способность компонентов программного средства защищать программы и информацию от любых негативных воздействий.

Надежность - обеспечение комплексом программ достаточно низкой вероятности отказа в процессе функционирования программного средства в реальном времени.

Эффективность - свойства программного средства, обеспечивающие требуемую производительность решения функциональных задач, с учетом количества используемых вычислительных ресурсов в установленных условиях.

Практичность (применимость) - свойства программного средства, обусловливающие сложность его понимания, изучения и использования, а также привлекательность для квалифицированных пользователей при применении в указанных условиях.

Сопровождаемость - приспособленность программного средства к модификации и изменению конфигурации и функций.

Мобильность - подготовленность программного средства к переносу из одной аппаратно-операционной среды в другую.

Тестирование программного обеспечения (Software Testing) - проверка соответствия между реальным и ожидаемым поведением программы, осуществляемая на конечном наборе тестов, выбранном определенным образом. [IEEE Guide to Software Engineering Body of Knowledge, SWEBOK, 2004] В более широком смысле, тестирование - это одна из техник контроля качества, включающая в себя активности по планированию работ (Test Management), проектированию тестов (Test Design), выполнению тестирования (Test Execution) и анализу полученных результатов (Test Analysis).

Верификация (Verification) - это процесс оценки системы или её компонентов с целью определения удовлетворяют ли результаты текущего этапа разработки условиям, сформированным в начале этого этапа [IEEE]. Т.е. выполняются ли наши цели, сроки, задачи по разработке проекта, определенные в начале текущей фазы.

Валидация (Validation) - это определение соответствия разрабатываемого ПО ожиданиям и потребностям пользователя, требованиям к систем/

План Тестирования (Test Plan) - это документ, описывающий весь объем работ по тестированию, начиная с описания объекта, стратегии, расписания, критериев начала и окончания тестирования, до необходимого в процессе работы оборудования, специальных знаний, а также оценки рисков с вариантами их разрешения.

Показатели качества ПО:

• понятность

Назначение ПО должно быть понятным, из самой программы и документации.

• полнота

Все необходимые части программы должны быть представлены и полностью реализованы.

• краткость

Отсутствие лишней, дублирующейся информации. Повторяющиеся части кода должны быть преобразованы в вызов общей процедуры. То же касается и документации.

• портируемость

Лёгкость в адаптации программы к другому окружению: другой архитектуре, платформе, операционной системе или её версии.

• согласованность

По всей программе и в документации должны использоваться одни и те же соглашения, форматы и обозначения.

• сопровождаемость

Насколько сложно изменить программу для удовлетворения новых требований. Это требование также указывает, что программа должна быть хорошо документирована, не слишком запутана, и иметь резерв роста по использованию ресурсов (память, процессор).

• тестируемость

Позволяет ли программа выполнить проверку приёмочных характеристик, поддерживается ли возможность измерения производительности.

• удобство использования

Простота и удобство использования программы. Это требование относится прежде всего к интерфейсу пользователя.

• надёжность

отсутствие отказов и сбоев в работе программ, а также простота исправления дефектов и ошибок:

• структурированность
• эффективность

Насколько рационально программа относится к ресурсам (память, процессор) при выполнении своих задач.