Информатика — курс лекций. Курс лекций для студентов по направлениям 230100. 62 Информатика и вычислительная техника
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
базовое программное обеспечение входят: базовая система ввода-вывода (BIOS-Basic Input/Output System); операционная система (сетевая операционная система); операционные оболочки. Базовая система ввода-ввода (BIOS) представляет собой набор программ, обеспечивающих взаимодействие операционной системы и других программ с различными устройствами компьютера (клавиатурой, видеоадаптером, дисководом, таймером и др.). В функции BIOS входят также автома- тическое тестирование основных аппаратных компонентов (оперативной памяти и др.) при включе- нии машины, поиск на диске программы-загрузчика операционной системы и её загрузка с диска в оперативную память. Программные модули BIOS находятся в постоянном запоминающем устройстве — ПЗУ, они имеют определённые адреса, благодаря чему все приложения могут использовать их для реализа- ции основных функций ввода-вывода. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьюте- ра, загрузки операционной системы в оперативную память и обеспечения взаимодействия операци- онной системы и приложений с различными устройствами компьютера. Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ. Она выполняет роль свя- зующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем — с другой. Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера — на диске. При включении компьютера, как было отмечено выше, она считывается с дисковой памяти и размещает- ся в оперативном запоминающем устройстве. Этот процесс называется загрузкой операционной си- стемы. В функции операционной системы входит: осуществление диалога с пользователем; ввод-вывод и управление данными; планирование и организация процесса обработки программ; распределение ресурсов (оперативной памяти, процессора внешних устройств); запуск программ на выполнение; всевозможные вспомогательные операции обслуживания; передача информации между различными внутренними устройствами; программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.). Операционную систему можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. Она скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с ап- паратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудо- ёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера. 128 Операционные системы для компьютеров делятся на: одно- и многозадачные (в зависимости от возможного числа запускаемых и выполняемых прикладных процессов); одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно рабо- тающих с операционной системой); несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ. Операционная система для компьютера, ориентированного на профессиональное примене- ние, должна содержать следующие основные программные компоненты: управление вводом-выводом; управление файловой системой; планирование процессов; анализ и выполнение команд, адресованных операционной системе. Каждая операционная система имеет свой командный язык, который позволяет пользовате- лю выполнять те или иные действия: обращаться к каталогу; выполнять разметку внешних носителей; запускать программы и др. Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет командный процессор операционной системы. В секторе программного обеспечения и операционных систем ведущее положение занимают фирмы IBM, Microsoft, UNISYS, Novell. Рассмотрим наиболее распространённые типы операционных систем. Операционная система MS DOS (Microsoft Disk Operating system) — самая распространённая ОС на 16-разрядных персональных компьютерах. Она состоит из следующих основных модулей: блок начальной загрузки (Boot Record); модуль расширения базовой системы ввода-вывода (IO.SYS); модуль обработки прерываний (MSDOS.SYS); командный процессор (COMMAND.COM); утилиты MS DOS. Каждый из указанных модулей выполняет определенную часть функций, возложенных на ОС. Блок начальной загрузки (или просто загрузчик) — это очень короткая программа, единствен- ная функция которой заключается в считывании с диска в оперативную память двух других частей DOS — модуля расширения базовой системы ввода-вывода и модуля обработки прерываний. Модуль расширения базовой системы ввода-вывода дает возможность использования до- полнительных драйверов, обслуживающих новые внешние устройства, а также драйверов для не- стандартного обслуживания внешних устройств. 129 Модуль обработки прерываний реализует основные высокоуровневые услуги DOS, поэтому его и называют основным. Командный процессор DOS обрабатывает команды, вводимые пользователем. Утилиты DOS — это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде от- дельных файлов. Они выполняют действия обслуживающего характера, например разметку дискет проверку дисков и т.д. Долгое время эта операционная система была установлена на подавляющем большинстве персональных компьютеров. Начиная с 1996 г. MS DOS была заменена ОС Windows — 32-разрядной многозадачной и многопоточной операционной системы с графическим интерфейсом и расширен- ными сетевыми возможностями. Операционные системы Windows. Windows 95 представляет собой универсальную высоко- производительную многозадачную 32-разрядную ОС с графическим интерфейсом и расширенными сетевыми возможностями. Windows 95 — интегрированная среда, обеспечивающая эффективный обмен информацией между отдельными программами и предоставляющая пользователю широкие возможности работы с мультимедиа, обработки текстовой, графической, звуковой и видеоинформа- ции. Интегрированность подразумевает также совместное использование ресурсов компьютера все- ми программами. Эта операционная система обеспечивает работу пользователя в сети, предоставляя встроен- ные средства поддержки для обмена файлами и меры по их защите, возможность совместного ис- пользования принтеров, факсов и других общих ресурсов. Windows 95 позволяет отправлять сообще- ния электронной почтой, факсимильной связью, поддерживает удаленный доступ. Windows 98 отличается от Windows 95 тем, что в ней операционная система объединена с браузером Internet Explorer. Кроме этого, в ней улучшена совместимость с новыми аппаратными средствами компьютера, она одинаково удобна как для использования на настольных, так и на пор- тативных компьютерах. Windows NT (NT — от англ. New Technology)— 32-разрядная ОС со встроенной сетевой под- держкой и развитыми многопользовательскими средствами. Она предоставляет пользователям мно- гозадачность, надёжность, многопроцессорную поддержку, секретность, защиту данных и многое другое. Эта операционная система очень удобна для пользователей, работающих в рамках локаль- ной сети, для коллективных пользователей, особенно для групп, работающих над большими проек- тами и обменивающихся данными. Семейство Windows 2000 — операционная система нового поколения для делового исполь- зования на самых разнообразных компьютерах — от портативных до серверов. Эта ОС является од- ной из лучших для ведения коммерческой деятельности в Интернете. Она объединяет присущую Windows 98 простоту использования с присущими Windows NT надёжностью, экономичностью и без- опасностью. Семейство Windows XP обладает улучшенной защитой системных файлов, программное обеспечение, поддерживающее запись CD и CD-RW, включено в состав самой ОС, имеет ряд новых драйверов устройств, полностью настраиваемый интерфейс, а также множество новых программ и мультимедийных добавлений. Помимо 32-разрядного варианта ОС имеется и 64-разрядная модифи- кация, предназначенная для установки на компьютеры, оснащенные 64-разрядным процессором. 130 Семейство Windows Vista является развитием системы Windows XP, хоть и разрабатывалась «с нуля». Она поддерживает все функции Windows XP и обладает некоторыми нововведениями. К ним относятся технологии ReadyBoost, позволяющая повысить быстродействие компьютера, улучшенная система безопасности, запись дисков DVD-R и DVD-RW всех форматов, а также некоторые функции, связанные с мультимедиа и интерфейсом. Семейство Windows 7 является последней на текущий момент версией. Она включает все преимущества предыдущих систем и включает некоторые функциональные дополнения, среди кото- рых: поддержка виртуальных жёстких дисков (VHD), технология BitLocker для шифрования важных данных, режим совместимости приложений, написанных для ранних версий Windows XP Mode. Packet (Windows СЕ)— операционная система для мобильных вычислительных устройств, та- ких как карманные компьютеры, цифровые информационные пейджеры, сотовые телефоны, муль- тимедийные и развлекательные приставки, включая DVD-проигрыватели и устройства целевого до- ступа в Интернет. Это 32-разрядная, многозадачная, многопоточная операционная система, имею- щая открытую архитектуру, разрешающую использование множества устройств. Packet (Windows СЕ) позволяет устройствам различных категорий «говорить» и обмениваться информацией друг с дру- гом, связываться с корпоративными сетями и с Интернетом, пользоваться электронной почтой. Она компактна, но высокопроизводительна. Это мобильная система, функционирующая с микропроцес- сорами различных марок и изготовителей. Операционная система Unix была создана в Bell Telephone Laboratories. Unix — многозадач- ная операционная система, способная обеспечить одновременную работу очень большого количе- ство пользователей. Ядро ОС Unix написано на языке высокого уровня С и имеет только около 10 % кода на ассемблере. Это позволяет за считанные месяцы переносить ОС Unix на другие аппаратные платформы и достаточно легко вносить в неё серьёзные изменения и дополнения. UNIX является первой действительно переносимой операционной системой. В многочисленные существующие вер- сии UNIX постоянно вносятся изменения. С одной стороны, это расширяет возможности системы, де- лает её мощнее и надёжнее, с другой — ведёт к появлению различий между существующими верси- ями. В связи с этим возникает необходимость стандартизации различных свойств системы. Наличие стандартов облегчает переносимость приложений между различными версиями UNIX и защищает как пользователей, так и производителей программного обеспечения. Поэтому в 80-х годах разрабо- тан ряд стандартов, оказывающих влияние на развитие UNIX. Сейчас существуют десятки операцион- ных систем, которые можно объединить под общим названием UNIX. В основном это коммерческие версии, выпущенные производителями аппаратных платформ для компьютеров своего производ- ства. Основными факторами, обеспечивающим популярность UNIX, являются следующие: 1. Код системы написан на языке высокого уровня С, что сделало её простой для понимания, изменения и переноса на другие платформы. При этом UNIX является одной из наиболее от- крытых систем. 2. UNIX — многозадачная многопользовательская система. Один мощный сервер может обслу- живать запросы большого количества пользователей. При этом необходимо администриро- вание только одной системы. Кроме того, система способна выполнять большое количество различных функций, в частности работать, как вычислительный сервер, как сервер базы дан- ных, как сетевой сервер, поддерживающий важнейшие сервисы сети, и т.д. 3. Наличие стандартов. Несмотря на разнообразие версий UNIX, основой всего семейства явля- ются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов. Для админи- 131 стратора переход на другую версию системы не составит большого труда, а для пользовате- лей он может и вовсе оказаться незаметным. 4. Простой, но мощный модульный пользовательский интерфейс. Имея в своем распоряжении набор утилит, каждая из которых решает узкую специализированную задачу, можно констру- ировать из них сложные комплексы. 5. Использование единой, легко обслуживаемой иерархической файловой системы. Файловая система UNIX — это не только доступ к данным, хранящимся на диске. Через унифицирован- ный интерфейс файловой системы осуществляется доступ к терминалам, принтерам, сети и т.п. 6. Большое количество приложений, в том числе свободно распространяемых, начиная от про- стейших текстовых редакторов и заканчивая мощными системами управления базами дан- ных. Операционная система Linux. Начало созданию системы Linux положено в 1991 г. финским студентом Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds). В сентябре 1991 г. он распространил по Интернету первый прототип своей операционной системы и призвал откликнуться на его работу всех, кому она нравится или нет. С этого момента многие программисты стали поддерживать Linux, добавляя драй- веры устройств, разрабатывая различные приложения и др. Атмосфера работы энтузиастов над по- лезным проектом, а также свободное распространение и использование исходных текстов стали ос- новой феномена Linux. В настоящее время Linux — очень мощная система, и при этом она бесплатная (free). Л. Торвальдс разработал не саму операционную систему, а только её ядро, подключив уже имеющиеся компоненты. Довольно скоро другие программисты стали насыщать ОС утилитами и прикладным ПО. Недостаток такого подхода — отсутствие унифицированной и продуманной проце- дуры установки системы, и это до сих пор является одним из главных сдерживающих факторов для более широкого распространения Linux. Традиционные стадии жизненного цикла программного продукта таковы: анализ требований, разработка спецификаций, проектирование, макетирование, написание исходного текста, отладка, документирование, тестирование и сопровождение. Главное, что отличает этот подход, — централи- зация управления разными стадиями и преимущественно «нисходящая» разработка (т.е. постоянная детализация). Однако Linux создавалась по-иному. Готовый работающий макет постоянно совершен- ствовался и развивался децентрализованной группой энтузиастов, действия которых лишь слегка ко- ординировались. Налицо «восходящая» разработка: сборка всё более крупных блоков из ранее со- зданных мелких. Здесь можно отметить и другое. При традиционной разработке в основу кладётся проектирование и написание текстов, при разработке по методу Linux — макетирование, отладка и тестирование. Первые два этапа распараллелить сложно, а с отладкой и тестированием дело обстоит полегче. Иными словами, разработка по методу Linux — это метод проб и ошибок, построенный на интенсивном тестировании. Сетевое программное обеспечение предназначено для организации совместной работы группы пользователей на разных компьютерах. Оно позволяет организовать общую файловую струк- туру, общие базы данных, доступные каждому члену группы, обеспечивает возможность передачи сообщений и работы над общими проектами, возможность разделения ресурсов. Основными функциями сетевых ОС являются: 132 управление каталогами и файлами; управление ресурсами; коммуникационные функции; защита от несанкционированного доступа; обеспечение отказоустойчивости; управление сетью. Управление каталогами и файлами в сетях заключается в обеспечении доступа к данным, физически расположенным в других узлах сети. Управление осуществляется с помощью специальной сетевой файловой системы. Файловая система позволяет обращаться к файлам путём применения привычных для локальной работы языковых средств. При обмене файлами должен быть обеспечен необходимый уровень конфиденциальности обмена (секретности данных). Управление ресурсами включает в себя обслуживание запросов на предоставление ресурсов, доступных по сети. Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, выбор направления для движения данных в разветвленной сети (маршрутизацию), управление потоками данных и др. Разграничение доступа — важная функция, способствующая поддержанию целостности дан- ных и их конфиденциальности. Средства защиты могут разрешать доступ к определенным данным только с некоторых терминалов, в оговоренное время, определенное число раз и т.п. У каждого пользователя в корпоративной сети могут быть свои права доступа с ограничением совокупности до- ступных директорий или списка возможных действий, например, может быть запрещено изменение содержимого некоторых файлов. Отказоустойчивость характеризуется сохранением работоспособности системы при воз- действии дестабилизирующих факторов и обеспечивается применением для серверов автономных источников питания, отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Под отображением обычно понимают наличие в системе двух копий данных с их расположением на раз- ных дисках, но подключенных к одному контроллеру. Дублирование отличается тем, что для каждого из дисков с копиями используются разные контроллеры. Очевидно, что дублирование более надёж- но. Дальнейшее повышение отказоустойчивости обусловлено дублированием серверов, что однако требует дополнительных затрат на приобретение оборудования. Управление сетью связано с применением соответствующих протоколов управления. Про- граммное обеспечение управления сетью обычно состоит из менеджеров и агентов. Менеджером называется программа, вырабатывающая сетевые команды. Агенты представляют собой программы, расположенные в различных узлах сети. Они выполняют команды менеджеров, следят за состоя- нием узлов, собирают информацию о параметрах их функционирования, сигнализируют о происхо- дящих событиях, фиксируют аномалии, следят за трафиком, осуществляют защиту от вирусов. Агенты с достаточной степенью интеллектуальности могут участвовать в восстановлении информации после сбоев, в корректировке параметров управления и т.п. Программное обеспечение сетевых ОС распределено по узлам сети. Имеется ядро ОС, вы- полняющее большинство из охарактеризованных выше функций, и дополнительные программы (службы), ориентированные на реализацию протоколов верхних уровней, выполнение специфиче- ских функций для коммутационных серверов, организацию распределенных вычислений и т.п. К се- 133 тевому программному обеспечению относят также драйверы сетевых плат. Для каждого типа ЛВС разработаны разные типы плат и драйверов. Внутри каждого типа ЛВС может быть много разно- видностей плат с разными характеристиками «интеллектуальности», скорости, объёма буферной па- мяти. Среди распространённых сетевых ОС необходимо отметить UNIX, семейства Windows NT/2000/XP/Vista/7 и Novell Netware. ОС UNIX применяют преимущественно в крупных корпоративных сетях, поскольку эта система характеризуется высокой надёжностью, возможностью лёгкого масштабирования сети. В UNIX име- ется ряд команд и поддерживающих их программ для работы в сети. Во-первых, это команды, реа- лизующие файловый обмен и эмуляцию удаленного узла на базе протоколов TCP/IP. Во-вторых, ко- манды и программы, разработанные с ориентацией на асинхронную модемную связь по телефон- ным линиям между удаленными Unix-узлами в корпоративных и территориальных сетях. ОС семейства Windows NT включает в себя серверную (Windows NT Server/2000 Server/2003 Server/2008 Server) и клиентскую (Windows NT Workstation/2000/XP/Vista/7) версии и тем самым обеспечивает работу в системах «клиент-сервер». Windows NT обычно применяют в средних по мас- штабам сетях. ОС Novell Netware состоит из серверной части и оболочек, размещаемых в клиентских узлах. Предоставляет пользователям возможность совместно использовать файлы, принтеры и другое обо- рудование. Содержит службу каталогов, общую распределённую базу данных пользователей и ре- сурсов сети. Эта ОС наиболее применима в небольших сетях. Операционные оболочки — специальные программы, предназначенные для облегчения об- щения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют тексто- вый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Наиболее популярны следующие виды текстовых и графических оболочек операционной си- стемы Windows (MS DOS): Norton Commander; DOS Navigator; Volkov Commander; Far; Windows Commander (новое название — Total Commander); FreeCommander. Эти программы существенно упрощают задание управляющей информации для выполнения команд операционной системы, уменьшают напряжённость и сложность работы конечного пользо- вателя. Например, пакет программ Total Commander обеспечивает: создание, копирование, пересылку, переименование, удаление, поиск файлов, а также изме- нение их атрибутов; отображение дерева каталогов и характеристик входящих в них файлов в форме, удобной для восприятия человека; 134 создание, обновление и распаковку архивов (групп сжатых файлов); просмотр текстовых файлов; редактирование текстовых файлов; выполнение из её среды практически всех команд Windows; запуск программ; выдачу информации о ресурсах компьютера; создание и удаление каталогов; поддержку межкомпьютерной связи; поддержку электронной почты через модем и др. Сервисное программное обеспечение. Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом: программы контроля, тестирования и диагностики, которые используются для проверки пра- вильности функционирования устройств компьютера и для обнаружения неисправностей в процессе эксплуатации; указывают причину и место неисправности; программы-драйверы, которые расширяют возможности операционной системы по управле- нию устройствами ввода-вывода, оперативной памятью и т.д.; с помощью драйверов воз- можно подключение к компьютеру новых устройств или нестандартное использование име- ющихся; программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют записывать информацию на дис- ках более плотно, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл; антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерны- ми вирусами и ликвидации последствий заражения вирусами; программы оптимизации и контроля качества дискового пространства; программы восстановления информации, форматирования, защиты данных; коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами; программы для управления памятью, обеспечивающие более гибкое использование опера- тивной памяти; программы обслуживания сети; программы для записи CD-ROM, CD-R и многие другие. Эти программы часто называются утилитами. Они либо расширяют и дополняют соответству- ющие возможности операционной системы, либо решают самостоятельные важные задачи. Утилиты (от лат. utilitas — польза) — программы, служащие для выполнения вспомогатель- ных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппа- ратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановле- ния разрушенной на магнитном диске информации и т.п.). Часть утилит входит в состав операционной системы, другая часть функционирует независимо от неё — автономно. 135 Инструментарий технологии программирования Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты, которые являются инструментальными средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все технологиче- ские этапы процесса проектирования, программирования (кодирования), отладки и тестирования создаваемых программ. Пользователями технологии программирования выступают системные и прикладные программисты. Инструментарий технологии программирования — совокупность программ и программ- ных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых про- грамм. Выделяют следующие группы инструментальных средств технологии программирования: средства для создания приложений, включающие: - локальные средства, обеспечивающие выполнение отдельных работ по созданию про- грамм; - интегрированные среды разработчиков программ, обеспечивающие выполнение ком- плекса взаимосвязанных работ по созданию программ; CASE-технология (Computer-Aided System Engineering), представляющая методы анализа, проектирования и создания программных систем и предназначенная для автоматизации про- цессов разработки и реализации информационных систем. Локальные средства разработки программ наиболее представительны на рынке программ- ных продуктов и состоят из языков и систем программирования, а также инструментальной среды пользователя. Язык программирования — формализованный язык для описания алгоритма решения зада- чи на компьютере. Языки программирования, если в качестве признака классификации взять синтаксис образо- вания его конструкций, можно условно разделить на классы: машинные языки (computer language) — языки программирования, воспринимаемые аппа- ратной частью компьютера (машинные коды); машинно-ориентированные языки (computer-oriented language) — языки программирования, которые отражают структуру конкретного типа компьютера (ассемблеры); алгоритмические языки (algorithmic language) — не зависящие от архитектуры компьютера языки программирования для отражения структуры алгоритма (Паскаль, Фортран, Бейсик и др.); процедурно-ориентированные языки (procedure-oriented language) — языки программирова- ния, где имеется возможность описания программы как совокупности процедур (под- программ); проблемно-ориентированные языки (universal programming language) — языки программиро- вания, предназначенные для решения задач определенного класса (Лисп, Симула и др.); интегрированные системы программирования. 136 Программа, подготовленная на языке программирования высокого уровня, проходит этап трансляции. Трансляторы реализуются в виде компиляторов или интерпретаторов. С точки зрения выпол- нения работы компилятор и интерпретатор существенно различаются. Компилятор (от англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает её перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется. Интерпретатор (от англ. interpreter — истолкователь, устный переводчик) переводит и вы- полняет программу построчно. После того как программа откомпилирована, ни сама исходная программа, ни компилятор более не нужны. В то же время программа, обрабатываемая интерпретатором, должна заново пе- реводиться на машинный язык при каждом очередном запуске программы. Откомпилированные программы работают быстрее, но интерпретируемые проще исправлять и изменять. Современные системы программирования обычно предоставляют пользователям мощные и удобные средства разработки программ. В них входят: компилятор или интерпретатор; интегрированная среда разработки; средства создания и редактирования текстов программ; обширные библиотеки стандартных программ и функций; отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в про- грамме; «дружественная» к пользователю диалоговая среда; многооконный режим работы; мощные графические библиотеки; утилиты для работы с библиотеками; встроенный ассемблер; встроенная справочная служба и др. При создании сложных прикладных систем часто возникает необходимость использования машинно-ориентированных ассемблерных программ. При этом с целью повышения быстродействия или сокращения требуемых объёмов памяти на ассемблере иногда составляется значительное коли- чество прикладных процедур. Помимо языка ассемблера, который даёт возможность использовать все особенности машины и потому может быть применён для решения задач любого типа, суще- ствуют языки программирования высокого уровня, ориентированные на различные классы задач. К ним относятся: Фортран, Паскаль и Си. Язык Фортран — один из самых старых языков высокого уровня, активно используется на персональных компьютерах. Применяется он главным образом при разработке прикладных систем, ориентированных на научные исследования, автоматизацию проектирования и другие области, где уже накоплены обширные стандартные библиотеки программ. Имеется несколько версий этого язы- 137 ка, из которых наиболее популярна версия Фортран-90, отдельные элементы которой реализованы в Microsoft Fortran, а в полном объёме — в Fortran PowerStation. Язык Паскаль,выпущенный в 1969 г., — сегодня один из широко распространённых алгорит- мических языков, компиляторы с которого разработаны для компьютеров практически всех архи- тектур. Существует несколько развитых диалектов языка, снабжённых разнообразными дополни- тельными инструментариями и средствами поддержки разработки программного обеспечения. В качестве примера можно назвать средства Borland для персональных компьютеров. Паскаль является классическим языком программирования, который первоначально был создан как учебный язык и лишь позже стал применяться для решения научных задач. Язык Си,в отличие от Паскаля, с момента своего появления (1972 г.) был ориентирован на разработку системных программ. Он, в частности, послужил главным инструментом для создания многих операционных систем и программных продуктов. В этом языке имеются более гибкие сред- ства для эффективного использования особенностей аппаратуры, чем в Паскале. Благодаря этому порождаемые машинные программы, как правило, более компактны и работают быстрее, чем про- граммы, полученные Паскаль-трансляторами. С другой стороны, синтаксис языка Си менее прозра- чен, чем у Паскаля; возможностей для внесения ошибок больше; чтение текстов программ требует определённого навыка. В связи с этим язык Си применяется главным образом для создания систем- ных и прикладных программ, в которых скорость работы и объём памяти являются критическими па- раметрами. Несмотря на то, что Паскаль представляется как ортодоксальный язык, а Си позволяет про- граммисту точнее учитывать аппаратные особенности, в целом эти языки сравнимы. Основными до- стоинствами, необходимыми при построении больших программных систем, у этих языков являются возможность работы с данными сложной структуры; наличие развитых средств для выделения от- дельных частей программ в процедуры, модульность, т.е. возможность независимой разработки от- дельных частей программ и последующего их связывания в единую систему. Недостатками подхода, реализованного в процедурных языках, выступают сложность органи- зации процесса внесения в систему изменений, обязательное последовательное выполнение всех этапов разработки, несовместимость с эволюционным подходом и, как следствие, слабая пригод- ность их для разработки сложных программных систем. Развитием процедурных языков является объектно-ориентированный подход, впервые возникший в комплекте с компилятором Turbo Pascal 5.5. Начиная с Turbo Pascal 6.0 в пакет входит библиотека Turbo Vision, позднее перенесённая в среду Turbo C++. Данные библиотеки основаны на объектно-ориентированном программировании и принципах построения программ, управляемых событиями. Объектно-ориентированный подход представляет собой последовательный итеративный процесс, который позволяет безболезненно вносить изменения в уже отлаженный программный продукт и в котором результаты одного из эта- пов могут влиять на решения, принятые на предыдущих. Наиболее полное отражение концепция объектно-ориентированного программирования и визуального подхода к построению приложений нашла в языках для разработки Windows приложе- ний: Visual Basic, Delphi, C++. Общим для них является простота и наглядность процесса создания про- грамм, основанных на использовании технологий визуального программирования. Компонентный подход позволяет легко и быстро создавать не только интерфейс программ, но и достаточно слож- ные механизмы доступа к данным, а также проверять и тиражировать удачные программные реше- ния. Несмотря на идентичность идеологии, заложенной в данных языках, в их применении имеются 138 отличия. Современные тенденции показывают, что Delphi ориентируется фирмой Embarcadero (ранее — Borland) на создание полноценных распределённых корпоративных систем доступа к данным. Vis- ual Basic (фирмы Microsoft) применяется в основном для создания приложений и расширений для готовых программных продуктов под Windows и Веб-приложения, a Visual C++, C# (Microsoft) и C++ Builder (Embarcadero) используется для разработки интернет-обозревателей, корпоративных прило- жений и операционных систем. Инструментальная среда пользователя представлена специальными средствами, встроен- ными в пакеты прикладных программ, такими как: библиотека функций, процедур, объектов и методов обработки; макрокоманды; клавишные макросы; языковые макросы; программные модули-вставки; конструкторы экранных форм и отчетов; генераторы приложений; языки запросов высокого уровня; языки манипулирования данными; конструкторы меню и многое другое. Дальнейшим развитием локальных средств разработки программ, которые объединяют набор средств для комплексного их применения на всех технологических этапах создания программ, являются интегрированные программные среды разработчиков. Основное назначение инструмен- тария данного вида — повышение производительности труда программистов, автоматизация со- здания кодов программ, обеспечивающих интерфейс пользователя графического типа, разработка приложений для архитектуры клиент-сервер, запросов и отчётов. Пакеты прикладных программ Пакеты прикладных программ (ППП) служат программным инструментарием решения функ- циональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей. Пакет прикладных программ (application program package) — комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области. Единую классификацию ППП провести затруднительно ввиду большого разнообразия решае- мых на ЭВМ задач и соответствующих им ППП. В общем случае ППП могут быть разделены на два больших класса: общего назначения и специального назначения. К ППП общего назначения можно отнести наиболее распространённые программные продук- ты, такие как текстовые и табличные процессоры, графические редакторы, системы управления ба- зами данных, различные интегрированные пакеты и др. Текстовый редактор — программа, используемая специально для ввода и редактирования текстовых данных. 139 Текстовые редакторы могут обеспечивать выполнение разнообразных функций, а именно: редактирование строк текста; возможность использования различных шрифтов символов; копирование и перенос части текста с одного места на другое или из одного документа в дру- гой; контекстный поиск и замена частей текста; задание произвольных межстрочных промежутков; автоматический перенос слов на новую строку; автоматическая нумерация страниц; обработка и нумерация сносок; выравнивание краёв абзаца; создание таблиц и построение диаграмм; проверка правописания слов и подбор синонимов; построение оглавлений и предметных указателей; распечатка подготовленного текста на принтере в нужном количестве экземпляров и т.п. Возможности текстовых редакторов различны — от программ, предназначенных для подго- товки небольших документов простой структуры, до программ для набора, оформления и полной подготовки к типографскому изданию книг и журналов (издательские системы). Наиболее известный текстовый редактор — Microsoft Word. Графический редактор — программа, предназначенная для автоматизации процессов по- строения на экране дисплея графических изображений. Графический редактор предоставляет возможности рисования линий, кривых, раскраски об- ластей экрана, создания надписей различными шрифтами и т.д. Большинство редакторов позволяют обрабатывать изображения, полученные с помощью сканеров, а также выводить картинки в таком виде, чтобы они могли быть включены в документ, подготовленный с помощью текстового ре- дактора. Некоторые редакторы позволяют получать изображения трёхмерных объектов, их сечений, разворотов, каркасных моделей и т.п. Пользуется известностью Corel Draw — мощный графический редактор с функциями создания публикаций, снабженный инструментами для редактирования графики и трехмерного модели- рования. Табличный процессор — комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для обра- ботки электронных таблиц. Электронная таблица — компьютерный эквивалент обычной таблицы, состоящей из строк и столбцов, на пересечении которых располагаются ячейки, содержащие числовую информацию, формулы или текст. Значение в числовой ячейке таблицы может быть либо введено, либо рассчитано по соответ- ствующей формуле; в формуле могут присутствовать обращения к другим ячейкам. 140 Каждый раз при изменении значения в ячейке таблицы в результате ввода в неё нового зна- чения с клавиатуры пересчитываются также значения во всех тех ячейках, в которых стоят величины, зависящие от данной ячейки. Столбцам и строкам можно присваивать наименования. Экран монитора трактуется как окно, через которое можно рассматривать таблицу целиком или по частям. Табличные процессоры представляют собой удобное средство для проведения бухгалтерских и статистических расчётов. В каждом пакете имеются сотни встроенных математических функций и алгоритмов статистической обработки данных. Кроме того, имеются мощные средства для связи таб- лиц между собой, создания и редактирования электронных баз данных. Специальные средства позволяют автоматически получать и распечатывать настраиваемые отчёты с использованием десятков различных типов таблиц, графиков, диаграмм, снабжать их ком- ментариями и графическими иллюстрациями. Табличные процессоры имеют встроенную справочную систему, предоставляющую пользова- телю информацию по конкретным командам меню и другие справочные данные. Многомерные таб- лицы позволяют быстро делать выборки в базе данных по любому критерию. Самые популярные табличные процессоры — Microsoft Excel и Lotus 1—2—3. В Microsoft Excel автоматизированы многие рутинные операции, специальные шаблоны по- могают создавать отчеты, импортировать данные и многое другое. Lotus 1—2—3 — профессиональный процессор электронных таблиц. Широкие графические возможности и удобный интерфейс пакета позволяют быстро ориентироваться в нём. С его помощью можно создать любой финансовый документ, отчёт для бухгалтерии, составить бюджет, а затем раз- местить все эти документы в базах данных. База данных — это один или несколько файлов данных, предназначенных для хранения, из- менения и обработки больших объёмов взаимосвязанной информации. В базе данных предприятия, например, может храниться: вся информация о штатном расписании, о рабочих и служащих предприятия; сведения о материальных ценностях; данные о поступлении сырья и комплектующих; сведения о запасах на складах; данные о выпуске готовой продукции; приказы и распоряжения дирекции и т.п. Даже небольшие изменения какой-либо информации могут приводить к значительным изме- нениям в разных других местах. Базы данных используются под управлением систем управления базами данных (СУБД). Система управления базами данных (СУБД) — система программного обеспечения, позво- ляющая обрабатывать обращения к базе данных, поступающие от прикладных программ конечных пользователей. 141 Системы управления базами данных дают возможность объединять большие объёмы ин- формации и обрабатывать их, сортировать, делать выборки по определенным критериям и т.п. Со- временные СУБД дают возможность включать в них не только текстовую и графическую информа- цию, но и звуковые фрагменты и даже видеоклипы. Простота использования СУБД позволяет созда- вать новые базы данных, не прибегая к программированию, а пользуясь только встроенными функ- циями. СУБД обеспечивают правильность, полноту и непротиворечивость данных, а также удобный доступ к ним. Популярные СУБД — FoxPro, Access for Windows, Paradox. Для менее сложных задач вместо СУБД используются информационно-поисковые системы (ИПС), которые выполняют следующие функции: хранение большого объёма информации; быстрый поиск требуемой информации; добавление, удаление и изменение хранимой информации; вывод её в удобном для человека виде. Интегрированные пакеты представляют собой набор нескольких программных продуктов, объединённых в единый удобный инструмент. Наиболее развитые из них состоят из текстового редактора, органайзера, электронной табли- цы, СУБД, средств поддержки электронной почты, программы создания презентационной графики. Результаты, полученные отдельными подпрограммами, могут быть объединены в оконча- тельный документ, содержащий табличный, графический и текстовый материал. Интегрированные пакеты, как правило, включают в себя некоторое ядро, обеспечивающее возможность тесного взаимодействия между составляющими. Наиболее распространенным интегрированным пакетом является Microsoft Office. В этот мощный профессиональный пакет вошли такие необходимые программы, как текстовый редактор WinWord, электронная таблица Excel, программа создания презентаций PowerPoint, СУБД Access, средство поддержки электронной почты Mail. При этом, все части этого пакета составляют единое целое, и даже внешне все программы выглядят единообразно, что облегчает как их освоение, так и ежедневное использование. ППП специального назначения предназначены для решения задач в некоторой предметной области. Например, одним из наиболее эффективных и распространенных программных средств мо- делирования сложных дискретных систем на персональных ЭВМ является ППП GPSS (General Purpose Simulating System). Он успешно используется для моделирования систем, формализованных в виде систем массового обслуживания Язык GPSS построен на предположении, что моделью сложной дис- кретной системы является описание ее элементов и логических правил их взаимовлияния в процессе функционирования моделируемой системы. Далее предполагается, что для определенного класса моделируемых систем можно выделить небольшой набор абстрактных элементов, называемых объ- ектами. Причем набор логических правил также ограничен и может быть описан небольшим числом 142 стандартных операций. Комплекс программ, описывающих функционирование объектов и выполня- ющих логические операции, является основой для создания программной модели системы данного класса. Эта идея и была реализована при разработке языка GPSS. На сегодняшний день среди широко известных программных сред для проведения научно- технических расчётов можно выделить: MathCad, MatLab и Mathematica. Важным достоинством сре- ды MathCad является возможность записи алгоритмов в естественном научно-техническом виде. Данная среда на сегодняшний день является одной из наиболее удобных сред для проведения ма- тематических расчётов. В последних реализациях MathCad значительно облегчён ввод математиче- ских выражений, увеличено число встроенных процедур и приложений, расширены возможности языка программирования, усовершенствованы средства обмена с Windows приложениями. Нагляд- ность среды, а также большое количество разнообразной литературы делают эту среду весьма при- влекательной для проведения имитационного моделирования. Среда MatLab (Matrix Laboratory — матричная лаборатория) предложенная фирмой The Math Works Inc. представляет собой апробированную и надежную систему, рассчитанную на решение ши- рокого круга инженерных задач с представлением данных в универсальной матричной форме. Бла- годаря интеграции в ней среды Maple, разработанной фирмой Waterloo Maple Software, так же как и в MathCad, среда MatLab позволяет применять символьную запись математических выражений. Ши- рокому применению MatLab при имитационном моделировании способствует не только разнооб- разный набор матричных и иных операций и функций, но и наличие большого количества специали- зированных расширений. Так, версия MatLab 5.0/5.3 распространяется с 35 расширениями, самое мощное из которых Simulink for Windows непосредственно предназначено для проведения имитаци- онного моделирования. Важным достоинством системы является её открытость и расширяемость, а также приспособляемость к решению широкого класса задач. Расширяемость достигается за счёт встроенного языка программирования. При этом язык системы MatLab в части программирования математических вычислений намного богаче большинства универсальных языков программирования высокого уровня. Он реализует почти все известные средства программирования, в том числе объ- ектно-ориентированное и визуальное программирование. Расширения системы хранятся на жёстком диске компьютера и вызываются в нужный момент без какого-либо предварительного объявления или описания, необходимого в большинстве универсальных языков программирования. При этом по скорости выполнения задач эта система превосходит другие подобные системы. Универсальная среда Mathematica разработана фирмой Wolfram Research, является мощным средством для математических и других вычислений и выполняет численные, аналитические и гра- фические операции. Ввод и представление информации, графическая оболочка среды, набор допол- нительных библиотек — все соответствует самым современным требованиям и тенденциям. Встро- енный, высокого уровня, язык программирования позволяет быстро и качественно решать разнооб- разные инженерные задачи, имеет богатые возможности для визуализации данных и результатов расчетов. По богатству и разнообразию средств высокого уровня данная среда уникальна. Пакет поз- воляет создавать интерактивные документы, объединяющие в себе текст, анимацию и активные формулы. |