Программное обеспечение. 
Информатика и математика

В результате освоения данной темы студент должен: знать

• • классификацию и структуру программного обеспечения;
• • основные функции операционной системы, файлы и файловые системы;
• • виды прикладного программного обеспечения; уметь
• • классифицировать программное обеспечение по способу распространения; владеть
• • навыками анализа и реферирования научной литературы по данной теме.

Классификация программного обеспечения

Еще одна важная составляющая информатики как науки — программное обеспечение.

Программное обеспечение — совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ. Также это совокупность программ, процедур и правил, а также документации, относящихся к функционированию систем обработки данных.

Программное обеспечение подразделяют по назначению (системное, прикладное и инструментальное) и по способу распространения и использования (проприетарное (закрытое), открытое и свободное).

Рассмотрим сначала первый тип классификации программного обеспечения.

Системное программное обеспечение — это комплекс программ, которые обеспечивают эффективное управление компонентами вычислительной системы, такими, как процессор, оперативная память, каналы ввода-вывода, сетевое оборудование, играя роль посредника между аппаратурой и приложениями пользователя.

В отличие от прикладного программного обеспечения системное не решает конкретных прикладных задач, а лишь обеспечивает работу других программ, управляет аппаратными ресурсами вычислительной системы и т. п.

Основной, наиболее важной (а иногда единственной) частью системного программного обеспечения является операционная система (ОС). Не случайно определение операционной системы и перечисление ее функций очень напоминают данное выше определение системного программного обеспечения.

Операционная система — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой — предназначены для управления устройствами, вычислительными процессами, для эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надежных вычислений.

Есть немало устройств, которые можно отнести к вычислительной технике и для которых ОС излишни. Микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п.

Большинство таких устройств управляются встроенными («вшитыми») в них компьютерными системами, которые включаются и начинают работать просто при включении соответствующего устройства. Зачастую такой микрокомпьютер исполняет лишь одну-единственную программу.

На компьютерах архитектуры IBM PC при включении компьютера начинает работать уже упоминавшаяся ранее программа BIOS, записанная в постоянном запоминающем устройстве на материнской плате компьютера. BIOS запускает загрузчик операционной системы — составляющую системного программного обеспечение, обеспечивающую загрузку операционной системы после включения компьютера.

Собственно ОС (в их современном понимании) нужны в следующих случаях.

• 1. Вычислительная система используется для решения различных задач, причем программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Отсюда следует необходимость создания универсального механизма сохранения данных. В большинстве ОС для этой цели служат файловые системы, которым посвящен отдельный параграф данной главы.
• 2. Различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных операций. Например, ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране могут потребовать исполнения сотен машинных команд, а операция с жестким диском — тысяч. Чтобы не программировать эти операции каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций).
• 3. Между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не создавала глобальных проблем.
• 4. Необходимо иметь возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже если сам компьютер имеет всего лишь один процессор). Эта проблема решается с помощью приема, известного как «режим разделения времени». При этом специальный компонент системного программного обеспечения, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам).
• 5. Наконец, ОС должна обеспечивать пользовательский интерфейс, т. е. давать пользователю возможность так или иначе управлять процессами выполнения отдельных программ. В ОС для этой цели служит оболочка операционной системы с набором стандартных утилит. О них речь пойдет чуть ниже в данном пункте.

Перечислим основные и дополнительные функции современных универсальных ОС.

Основные функции ОС.

• • Выполнение по запросу программ элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• • Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
• • Стандартизованный доступ к периферийным устройствам.
• • Управление оперативной памятью компьютера.
• • Управление доступом к данным, организованным в той или иной файловой системе.
• • Обеспечение пользовательского интерфейса.
• • Выполнение сетевых операций, поддержка работы компьютера в сети.

Дополнительные функции ОС.

• • Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• • Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
• • Разграничение доступа различных процессов к ресурсам (под ресурсами понимают время работы отдельных устройств, объем памяти разных уровней).
• • Организация надежных вычислений (обеспечение невозможности для одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе). Эта организация основана на разграничении доступа к ресурсам.
• • Взаимодействие между вычислительными процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• • Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от неправильных действий пользователей (злонамеренных или случайных) или приложений.
• • Обеспечение многопользовательского режима работы вычислительной системы и разграничение прав доступа отдельных пользователей.

Упомянем еще одно важное понятие. Операционная система получает доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства с помощью специальной компьютерной программы, которая называется драйвером (англ, driver).

В общем случае, для использования любого устройства (как внешнего, так и внутреннего по отношению к компьютеру) необходим драйвер. Операционная система на самом деле управляет некоторым «виртуальным устройством», которое понимает стандартный набор команд.

Драйвер переводит эти стандартные команды в команды, которые понимает именно данное устройство. Эта идеология организации управления называется «абстрагированием от аппаратного обеспечения».

Обычно с операционными системами (как ее часть) поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, например, как принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства.

Предшественниками ОС следует считать служебные программы, а также библиотеки часто используемых подпрограмм, которые начали функционировать в конце 1940;х гг. вместе с появлением универсальных компьютеров первого поколения.

Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (операций вводавывода, вычисления математических функций и т. п.). Основные идеи, определяющие функциональность современных универсальных ОС, сформировались еще в 1950—1960;х гг.

Одной из задач ОС является обеспечение пользовательского интерфейса (взаимодействия с функциями ОС). Предназначенные для этой цели оболочки операционных систем могут иметь два различных типа интерфейса: интерфейс командной строки и графический пользовательский интерфейс.

Интерфейс командной строки — это разновидность текстового интерфейса (CUI) между человеком и компьютером, в котором инструкции компьютеру даются в основном путем ввода с клавиатуры текстовых строк (команд), которые ОС затем выполняет. Познакомиться с этим типом интерфейса можно, например, в так называемых UNIX-подобных операционных системах.

Графический интерфейс пользователя — разновидность пользовательского интерфейса, в котором его элементы (меню, кнопки, значки, списки и т. п.) представлены пользователю на экране и исполнены в виде графических изображений.

В отличие от интерфейса командной строки в этом случае пользователь имеет произвольный доступ (с помощью устройств ввода — клавиатуры, мыши, джойстика и т. п.) ко всем видимым экранным объектам (элементам интерфейса) и может манипулировать ими.

Чаще всего элементы графического интерфейса отображают назначение и свойства объектов, которым они соответствуют, что облегчает понимание и освоение программ неподготовленными пользователями. Графический тип интерфейса реализован в операционных системах Windows, которые будут обсуждаться в отдельной главе этой книги.

Расширяют стандартные возможности компьютерного оборудования и операционных систем специальные программы, выполняющие узкий круг специфических задач и называемые утилитами (англ, utility). Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам, настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают процесс изменения некоторых параметров проще.

Приведем примеры утилит с их краткой характеристикой. Например, дисковые утилиты предназначены для работы с файлами на жестком диске и могут выполнять следующие функции.

1. Дефрагментация жесткого диска. Процесс разбиения файла на небольшие фрагменты при записи на жесткий диск называется фрагментацией. Если на диске много фрагментированных файлов, скорость чтения данных уменьшается, поскольку поиск фрагментов на жестких дисках требует времени.

Помимо замедления в работе компьютера с файловыми операциями (таких, как чтение и запись), фрагментация файлов негативно сказывается на «здоровье» жесткого диска, так как заставляет постоянно перемещаться головки диска, которые осуществляют чтение и запись данных.

Для устранения проблемы фрагментации и существуют программыдефрагментаторы, принцип работы которых заключается в «сборке» каждого файла из его фрагментов. Общим недостатком таких программ является их медленная работа — процесс дефрагментации обычно занимает довольно много времени (до нескольких часов).

На современных твердотельных жестких дисках SSD проведение дефрагментации запрещено в силу специфики конфигурации этих дисков.

• 2. Проверка диска — поиск неправильно записанных либо поврежденных различным путем файлов и участков диска и их последующее удаление для эффективного использования дискового пространства.
• 3. Очистка диска — удаление временных файлов, ненужных файлов.
• 4. Разметка диска — деление жесткого диска на логические диски, которые могут иметь различные файловые системы и восприниматься операционной системой как несколько различных дисков.
• 5. Сжатие дисков — сжатие информации на жестких дисках для увеличения их вместимости.
• 6. Резервное копирование — создание резервных копий целых дисков и отдельных файлов, а также восстановление информации по этим копиям.

Существует также множество утилит, предназначенных для тестирования и отслеживания работы компьютерного оборудования.

Инструментальное программное обеспечение — программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения других программ. Программы для первых вычислительных машин писались на языке машинных команд и предназначались для конкретных вычислительных машин.

В настоящее время большинство программ пишется на формальных языках программирования, которые гораздо ближе к естественному языку и, следовательно, гораздо удобнее в работе. Перевод программ на язык машинных команд осуществляет компьютер с помощью инструментального программного обеспечения.

Прикладные программы или приложения (прикладное программное обеспечение) — программы, предназначенные для выполнения определенных пользовательских задач и рассчитанные на непосредственное взаимодействие с пользователем.

В большинстве операционных систем прикладные программы не могут обращаться к ресурсам компьютера напрямую, а взаимодействуют с оборудованием и прочими программами посредством операционной системы.

Более подробно прикладное программное обеспечение рассмотрено в одном из последующих параграфов данной главы.