Системное программное обеспечение

Системное ПО (System Software) – это программы и программные комплексы, обеспечивающие работу компьютеров и вычислительных сетей. К системному ПО относят операционные системы и операционные оболочки, программы тестирования оборудования, обслуживания дисков, обслуживания сетей, антивирусные программы и архиваторы. С некоторой условностью к системному ПО можно отнести и сетевые СУБД (системы управления базами данных), поскольку они создают условия для работы прикладных программ на рабочих станциях пользователей, предоставляя им данные, хранимые на сервере.

Операционные системы (ОС) делятся на одно- и многозадачные, непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров, несетевые и сетевые.

Однозадачной ОС является MS DOS, с которой современный специалист уже не имеет дела, но ее знание полезно, т.к. многие решения, использованные в этой ОС, применяются и в последующих операционных системах. В этом пособии мы ограничимся только краткими сведениями о DOS. Другие ОС, которые мы будем упоминать, являются многозадачными, т.е. поддерживают одновременное функционирование нескольких приложений. Так ОС Windows NT/2000/XP/7, Unix позволяют запустить какое-нибудь приложение, например, выполняющее долговременные вычисления или копирующее данные из сети Internet, и заняться на ПК другой работой с помощью других приложений.

Переносимость ОС и большинства других программных продуктов всегда довольно относительна. Например, ОС Unix (для ПК получает все большее распространение версия Linux) была написана на языке программирования Си. Поскольку компиляторы Си разработаны для всех современных ЭВМ, то тексты основных программных модулей этой ОС могут быть преобразованы в объектные модули (см. раздел 4) для конкретной ЭВМ. Но, кроме основных модулей, всегда есть множество дополнительных, учитывающих особенности данного типа ЭВМ. Например, мощные вычислительные комплексы обычно многопроцессорные, и ОС должна это учитывать. К тому же сами системы программирования и входящие в них компиляторы также работают под управлением ОС. Поэтому адаптация ОС к другому типу ЭВМ – это очень сложная работа, выполняемая крупными компьютерными фирмами. Для пользователя важна не переносимость ОС, а возможность перенесения приложений и последующего их использования на другой ЭВМ, но в привычной операционной среде. Если приложение разработано для ОС Unix, а не для Windows, применяемой только на ПК, то его легче перенести на другие типы ЭВМ, где также применяется Unix, и, следовательно, системы программирования используют процедуры этой же ОС. Самое же главное условие переносимости приложения – это наличие на ЭВМ другого типа той системы программирования, с помощью которой данное приложение создано. Если же приложение использует СУБД, то надо, чтобы на ЭВМ другого типа имелась бы эта же или аналогичная СУБД. Для большинства пользователей, работающих на ПК, проблема переносимости программ не актуальна, так как эти пользователи и не собираются переходить на недоступные им по ценам суперкомпьютеры и наращивают свои вычислительные мощности путем развития сетевых коммуникаций.

К числу сетевых ОС относятся все версии Unix, Microsoft Windows Server, Novell NetWare и некоторые другие. Эти ОС поддерживают работу пользователей в локальной сети с выделенным сервером (см. раздел 4). Операционные системы Windows NT/2000/XP/7 поддерживают работу в одноранговой ЛВС и хорошо взаимодействуют с сетевой ОС Microsoft Windows Server, установленной на сервере. ОС Linux в большинстве организаций используют на серверах Internet. Такой сервер связывается через модем с глобальной сетью и предоставляет возможность работы с Internet всем пользователям локальной сети.

Упомянув основные ОС, применяемые в настоящее время, далее ограничимся лишь кратким рассмотрением операционных систем корпорации Microsoft – MS DOS и Windows. На примере этих систем можно видеть, как постепенно изменялся состав ОС. Сначала считалось, что операционная система должна лишь организовывать и обеспечивать работу всех других программ на ЭВМ определенного типа. Многочисленные программы, полезные для повышения эффективности компьютера (наиболее экономное использование оперативной памяти, проверка, дефрагментация, сжатие дисков и др.), разрабатывались и поставлялись на рынок различными фирмами – независимыми производителями ПО. Но как только независимый производитель создавал программный продукт, который стремились приобрести почти все пользователи, корпорация Microsoft включала функции этого продукта в свою ОС. В результате Microsoft не только имеет почти полную монополию на ОС для ПК, но и постоянно расширяет трактовку принадлежности к ОС. Глава Microsoft Билл Гейтс неоднократно заявлял, что объемы и стандарты в программном обеспечении ПК ведут к естественной монополии. В настоящее время большинство ПК в мире поставляется не только с установленной Windows, но и с MS Office. Приобретая компьютер с Windows XP и MS Office, «средний пользователь» обнаруживает, что у него есть почти все, что ему требуется для работы. Нажмите кнопку Пуск и просмотрите состав стандартных, а среди них и служебных программ, включенных в Windows. Вы обнаружите текстовые редакторы Блокнот и WordPad, проводник по сети Internet, средства работы с мультимедиа, калькулятор, программу просмотра рисунков, графический редактор Paint и служебные программы проверки, дефрагментации и сжатия диска. Если к этому набору добавить еще комплекс приложений MS Office, то мы получим почти все, что требуется для ведения документации, выполнения расчетов и создания баз данных на небольшом предприятии. Поэтому для многих пользователей MS Office фактически является продолжением ОС – платформой для ведения большей части их работ на ПК. Но вернемся к рассмотрению ОС.

Операционная система MS DOS до появления ОС Windows-95 использовалась практически на всех ПК. Даже широкое распространение в 1993-95 г.г. операционных оболочек Windows 3.1 и Windows 3.11 не уменьшило роли MS DOS. Эти операционные оболочки (вторая из них поддерживала работу в одноранговой ЛВС) лишь дополняли MS DOS, улучшая интерфейс пользователя и конкурируя не столько с самой ОС, сколько с другой общепризнанной операционной оболочкой Norton Commander. Операционные оболочки возникли в связи со стремлением облегчить работу пользователя, так как MS DOS управлялась с помощью команд, которые он вводил в командной строке. Например, команда Copy C:\doc99\*.doc C:\vl\*.doc означает, что ОС должна скопировать все файлы, имеющие имена с расширением doc, из каталога C:\doc99 в каталог C:\vl. Если пользователь забывал, как записать команду копирования файлов, он набирал в командной строке Copy /? и получал на экране справку о функциях и операндах данной команды. Количество команд, которые необходимы для работы, довольно велико. Это команды смены текущего (активного) каталога (CD), создания нового каталога (MD), вывода на экран списка каталогов и файлов в указанном или текущем каталоге (DIR), форматирования диска (FORMAT), копирования (DISKCOPY) и сравнения (DISKCOMP) дискет, перемещения (MOVE), копирования (COPY) и удаления (DEL) файлов и др. Чтобы выполнить программу, надо было задать в командной строке полный путь к EXE-файлу, в котором эта программа содержится. Можно было и просто ввести в командной строке имя программы с операндами (через пробелы), но тогда предварительно в команде PATH надо было перечислить пути к тем каталогам, в которых могут находиться используемые программы – как прикладные, так и системные. Для того чтобы программы могли использовать более 640 Кбайт основной памяти и чтобы они могли обращаться к периферийным устройствам, надо было предварительно загрузить в оперативную память резидентные программы (постоянно находящиеся в ОП) – драйверы устройств. Таким образом, пользователь должен был довольно много помнить. Для облегчения его работы применялись, во-первых, командные файлы и, во-вторых, операционные оболочки.

Командный файл (пакетный файл – Batch File) содержит пакет последовательно выполняемых команд DOS. Это могут быть команды смены текущего каталога, команда PATH, команды загрузки с диска в ОП драйверов, исполнения тех или иных программ. Командный файл имеет имя с расширением BAT. При его вызове могут указываться параметры, например, параметры выполняемых по командам программ - имена входных и выходных файлов и др. Из пакетного файла можно вызывать другие командные файлы (CALL имя файла). В пакетный файл можно включать комментарии (REM текст), метки (: END) и даже команды условного перехода (IF ERRORLEVEL 1 GOTO END). Таким образом, пакетный файл позволяет реализовать алгоритм обработки данных, разветвляющийся в зависимости от успешности или результатов завершения работы программ. Операционные оболочки рассмотрим позже, а сейчас остановимся на процессе загрузки MS DOS и на ее файловой системе, так как именно эти вопросы важны для понимания работы операционных систем.

Процесс запуска ПК и подготовки ОС к работе включает следующие шаги:

1) При включении ПК управление передается BIOS (см. подраздел 4.1), которая выполняет тестирование памяти, извлекает из ПЗУ параметры устройств компьютера, проверяет их, копирует с диска в ОП загрузчик ОС (Boot Record – 512 байт нулевого сектора диска) и передает ему управление.

2) Загрузчик копирует с диска в ОП резидентные программы ОС (модуль расширения IO.SYS, базовый модуль MSDOS.SYS и командный процессор COMMAND.COM), которые во время работы ПК постоянно находятся в ОП, вызывая с диска другие программы по необходимости.

3) ОС устанавливает драйверы, пути поиска файлов и другие системные параметры с помощью файлов конфигурации config.sys и автозапуска autoexec.bat. В первом из них задаются команды загрузки основных драйверов, а во втором команда PATH, команды SET, устанавливающие соответствие между некоторыми псевдонимами и соответствующими им на данном ПК конкретными именами файлов и каталогов, команды загрузки некоторых драйверов, например, драйвера русификации клавиатуры и команды выполнения некоторых программ, например, активизации резидентного модуля операционной оболочки Norton Commander.

Загрузка MS DOS обычно выполнялась с диска C:, если только в дисковод A: перед включением ПК не была вставлена системная дискета. Системная дискета требовалась на случай отказа винчестера или порчи информации на нем вирусом или неопытным пользователем. Чтобы подготовить системную дискету, требовалось вставить в дисковод A: отформатированный диск и выполнить команду SYS A:. На системную дискету также копировались файлы config.sys и autoexec.bat, иногда некоторые другие полезные файлы и программы.

Файловая система ОС – это совокупность ее средств, обеспечивающих доступ к данным. Файлом называют логически связанную совокупность данных.

Файл имеет имя, у которого может быть расширение (до 3 символов), отделяемое от имени точкой. В MS DOS имя файла содержит до 8 символов, причем, это могут быть только буквы латинского алфавита, цифры и символы -(минус), _(подчеркивание), $, @, %, (,), ^, ‘, {, }, ~,!, #. Использовать русские буквы в именах файлов и каталогов MS DOS не разрешает. Расширение имени файла обычно указывает на его тип. Например: RAR – архивный файл (может содержать много сжатых файлов и даже каталогов), созданный архиватором RAR; ZIP – архивный файл, созданный архиватором ZIP; BAT – командный файл; BAK – резервная копия файла; TMP – временный файл; TXT – текстовый файл; EXE – исполняемая программа; COM – исполняемая программа с абсолютным (фиксированным) адресом загрузки; INF – информационный файл; INI – файл описания конфигурации программы (содержит параметры настройки), SYS – драйвер управления устройством и др.

Для обращения к группе файлов применяются групповые имена – маски, образуемые с использованием символов * и?. Например:

*.exe – все файлы типа EXE;

a*.exe – все файлы типа EXE, имена которых начинаются с буквы a;

vl?.txt – все файлы типа TXT, имена которых начинаются с букв vl и заканчиваются произвольным символом;

*.* – все файлы.

Для доступа к данным на диске (см. также подраздел 5.1) операционная система использует хранимые на нем таблицу размещения файлов – FAT (File Allocation Table), корневой каталог (root) и подкаталоги. Каждый элемент FAT содержит код, характеризующий один кластер диска. Кластер может быть дефектным, свободным, резервным, занятым. В последнем случае FAT содержит для этого кластера указание на номер очередного кластера занятого этим файлом. Соответствие между именем файла и номером первого занятого им кластера хранится в каталоге. Каждый элемент каталога имеет в DOS длину 32 байта и структуру, представленную в таблице 6.1.