5.2 Распределение неперемещаемыми разделами. 187
5.3 Распределение перемещаемыми разделами. 189
5.4 Страничное распределение. 190
5.5 Сегментное распределение. 197
5.6 Сегментно-страничное распределение. 199
6 Управление внешними устройствами.. 201
6.1 Общие концепции. 201
6.1.1 Архитектура организации управления внешними устройствами. 201
6.1.2 Программное управление внешними устройствами. 202
6.1.3 Планирование дисковых обменов. 203
6.1.4 RAID-системы. Уровни RAID.. 206
6.2 Работа с внешними устройствами в ОС Unix. 209
6.2.1 Файлы устройств, драйверы.. 209
6.2.2 Системные таблицы драйверов устройств. 210
6.2.3 Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера. 211
6.2.4 Включение, удаление драйверов из системы.. 211
6.2.5 Организация обмена данными с файлами. 212
6.2.6 Буферизация при блок-ориентированном обмене. 213
6.2.7 Борьба со сбоями. 214
1 Введение
Настоящая[R1] книга основывается на многолетнем опыте чтения авторами курсов лекций и проведении семинарских занятий по операционным системам на факультете вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (Россия) и на факультете компьютерных наук университета Ватерлоо (Онтарио, Канада).
Операционная система является одним из ключевых понятий, связанных с функционированием компьютеров и их программного обеспечения. В существующей литературе многие понятия, связанные с вычислительной техникой, определяется неоднозначно, что иногда вносит путаницу в представление полной картины того, что и как функционирует в современном компьютере. Неоднозначностью определений страдает и понятие операционная система. В каких-то источниках операционная система определяется, «как система интерфейсов, предназначенная для обеспечения удобства работы пользователя с компьютером», в каких-то — это «посредник между программами пользователя и аппаратными средствами», кто-то сопоставляет это понятие с «возможностями и интерфейсами, предоставляемыми инструментальными средствами программирования и/или прикладными системами». В целом, каждая из перечисленных интерпретаций понятия операционная система имеет право на существование, и природа появления того или иного представления ясна. Однако многие из используемых трактовок термина операционная система ориентированы на конкретную категорию пользователей (программист, пользователь прикладной системы, системный программист и т.п.) и не формируют целостной картины функций свойств и взаимосвязей с другими компонентами программного обеспечения и аппаратуры компьютера.
Авторы настоящей книги ставили перед собой цель выстроить систему определений и рассмотреть основные свойства и примеры реализации тех или иных аппаратных и программных компонентов, функционирующих в компьютере, в их взаимосвязи, акцентировав основное внимание на понятии операционная система, на основах ее построения, примерах организации тех или иных частей наиболее распространенных на сегодняшний день ОС.
История появления и развития операционных систем целиком и полностью связана с развитием и становлением аппаратных возможностей компьютеров. Рассмотрим ключевые этапы этого процесса.
Первое поколение компьютеров: середина 40-х — начало 50-х годов XX века. Компьютеры этого поколения строились на электронно-вакуумных лампах. В 1946 г. в Пенсильванском университете США была разработана вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая считается одной из первых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Данная машина была разработана по заказу министерства обороны США и применялась для решения задач энергетики и баллистики. Производительность таких компьютеров измерялась от сотен до тысяч команд (операций) в секунду. Компьютер состоял из процессора, оперативного запоминающего устройства и достаточно примитивных внешних устройств: устройства вывода (вывод цифровой информации на бумажную ленту), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) — аппаратных средств хранения готовых к исполнению программы и данных (магнитные ленты), и устройства ввода, позволявшего вводить в оперативную память компьютера предварительно подготовленные на специальных носителях (перфокартах, перфоленте и пр.) программы и данные.
Изначально компьютеры первого поколения использовались в однопользовательском, персональном режиме, т.е. вся система монопольно предоставлялась одному пользователю, при этом программа и необходимые данные, представленные в машинных кодах в двоичном представлении, вводились в оперативную память, а затем запускалась на исполнение. Пользователь (программист) использовал аппаратную консоль (или пульт управления) компьютера для ввода и запуска программы чтения данных через устройства ввода. Результат выполнения программы выводился на устройство печати. В случае возникновения ошибки работа компьютера по выполнению команд программы прерывалась, и возникшая ситуация отображалась на индикаторах пульта управления, содержание которых анализировалось программистом. Программирование в машинных кодах привносило ряд проблем, связанных с техническими сложностями написания, модификации и отладки программы. Кроме того, в задачу программиста входило кодирование всех необходимых операций ввода/вывода с помощью специальных машинных команд управления внешними устройствами. В этот период от пользователя компьютера требовались не только алгоритмические знания и навыки решения конкретной прикладной задачи, но и достаточно хорошие знания организации и использования аппаратуры компьютера, доскональное знание системы команд и кодировки, используемой в данном компьютере, знание особенностей программирования устройств ввода/вывода, т.е. программист должен был быть, отчасти, и инженером-электронщиком. На этапе существования компьютеров первого поколения появился класс программ, обеспечивающих определенные сервисные функции программирования — это ассемблеры, первые языки высокого уровня и трансляторы для этих языков, а также простейшие средства организации и использования библиотек программ. Кроме того, можно говорить о зарождении класса сервисных, управляющих программ: представителями этого класса являлись программы чтения и загрузки в оперативную память программ и данных с внешних устройств. Эти программы были предопределены фирмой-разработчиком компьютеров и вводились в оперативную память с использованием аппаратной консоли. Так при помощи консоли было возможно вручную ввести в оперативную память последовательность команд, составляющих управляющую программу, и осуществить ее запуск. В случае если управляющая программа размещалась на внешнем запоминающем устройстве, через аппаратную консоль вводилась последовательность команд, обеспечивающих чтение кода управляющей программы в оперативную память и передачу управления на ее точку входа.
Компьютеры второго поколения: конец 50-х годов — вторая половина 60-х годов ХХ века. Традиционно, с компьютерами второго поколения связывается использование полупроводниковых приборов — диодов и транзисторов, которые по функциональной емкости, размеру, энергопотреблению в десятки раз превосходили возможности электронно-вакуумных ламп. В результате компьютеры второго поколения стали обладать существенно более развитыми логическими возможностями и в тысячи раз превосходили компьютеры первого поколения по производительности. Широкое распространение получили новые высокопроизводительные внешние устройства ЭВМ. Все это определило и активное совершенствование программного обеспечения и способов использования компьютеров. Можно с уверенностью утверждать, что реальное зарождение понятия операционной системы связано именно с появлением и совершенствованием архитектуры компьютеров второго поколения.
Этапом в развитии форм использования компьютеров стала пакетная обработка заданий, суть которой состояла в следующем. В компьютере работала специальная управляющая программа, в функции которой входила последовательная загрузка в оперативную память и запуск на выполнение программ из заранее подготовленного пакета программ. Пакет программ физически может быть представлен в виде «большой» стопки перфокарт, в которой программы находятся последовательно. В этом случае управляющая программа по завершении выполнения текущей программы осуществляет чтение очередной программы через устройство считывания перфокарт, загрузку ее в оперативную память и передача управления на фиксированную точку входа в программу (адрес памяти с которого должно начинаться выполнение программы). По завершении программы или после возникновения в программе ошибки, которая вызывает аварийную остановку выполнения программы, управление передается в управляющую программу (Рис. 1).
Рис. 1. Пакетная обработка заданий.
Такой процесс продолжался до тех пор, пока все программы из пакета не будут выполнены. Развитие подобных управляющих программ послужило основой появлению первых прообразов операционных систем, которые в разных случаях назывались мониторными системами, супервизорами или диспетчерами.
Следующим этапом развития понятия операционная система стало появление компьютеров второго поколения, имевших аппаратную поддержку режима мультипрограммирования — режима, при котором одновременно находилась в обработке не одна, а несколько программ. При этом в каждый момент времени команды одной из обрабатываемых программ выполнялись процессором, другие выполняли обмен данными с внешними устройствами, третьи были готовы к выполнению процессором и ожидали своей очереди. В СССР представителем машин второго поколения, обеспечивавших поддержку мультипрограммной обработки, была вычислительная машина БЭСМ-6, созданная под руководством академика С.А.Лебедева. Для данного компьютера была разработана серия операционных систем, которые по своей структуре и основным функциям были достаточно близки к современным ОС (НД-69, НД-70, ОС ДУБНА, ДИСПАК, ОС ИПМ и др.). Прародительницей подавляющего большинства этих операционных систем была система под названием Д-68 (Диспетчер–68), разработанная под руководством Л.Н.Королева.
Развитие мультипрограммных систем, расширение спектра решаемых задач и существенное увеличение количества пользователей компьютеров потребовало развития «дружественности» интерфейсов между пользователем и системой. С точки зрения инструментальных средств программирования это развитие языков программирования и систем программирования, которое представимо в следующей эволюционной последовательности: система команд компьютера è автокоды и ассемблеры è языки программирования высокого уровня è проблемно-ориентированные языки программирования (Рис. 2).
Операционные системы также получили свое развитие в этот период времени: появились языки управления заданиями, которые позволяли пользователю до начала выполнения его программы сформировать набор требований по организации выполнения программы. Появились первые прообразы современных файловых систем — систем, позволяющих систематизировать и упростить способы хранения и доступа пользователей к данным, размещенным на внешних запоминающих устройствах, что позволило пользователю работать с данными во внешней памяти не в терминах физических устройств и координат местоположения данных на этих физических устройствах, а в терминах имен или адресов некоторых наборов данных. В связи с этим у пользователя появилась возможность абстрагироваться от знания особенностей и способов организации хранения и доступа к данным конкретных физических устройств, что во многом послужило основой для появления виртуальных устройств.
Рис. 2. Развитие языков и систем программирования.
Компьютеры[R2] третьего поколения: конец 60-х — начало 70-х годов ХХ века. Основным отличием компьютеров этого поколения было использование в качестве элементной базы интегральных схем, что определило увеличение производительности компьютеров, существенное снижение их размеров, веса, появление новых, высокопроизводительных внешних устройств. И, наверное, главной особенностью архитектуры компьютеров третьего поколения было начало аппаратной унификации их узлов и устройств, позволившей стимулировать создание семейств компьютеров, аппаратная комплектация которых могла достаточно просто варьироваться владельцем компьютера. Наиболее яркими представителями таких семейств были компьютеры серий IBM-360 фирмы IBM и семейство малых компьютеров PDP-11 фирмы DEC. Компьютеры первых двух поколений строились, как единые, аппаратно-целостные устройства, комплектация и возможности которых были существенно предопределены на этапе их производства. Их аппаратная модификация, обычно, была крайне затруднительна. Третье поколение компьютеров строилось на модульном принципе, что позволяло, при необходимости, осуществлять замену и расширение состава внешних устройств, увеличивать размеры оперативной памяти, заменять процессор на более производительный. Все это повлияло и на развитие и структуру операционных систем, которые вслед за аппаратурой приобрели модульную организацию с унификацией межмодульных интерфейсов. В операционных системах появились специальные программы управления устройствами — драйверы устройств, которые имели стандартные интерфейсы, позволявшие при аппаратной модификации компьютера достаточно просто обеспечивать программный доступ к новым или модифицированным устройствам. Кроме того, для обеспечения простоты и «дружественности» общения пользователя с различными устройствами компьютера появились виртуальные устройства, драйверы которых предоставляли пользователю набор единых правил работы с группой внешних устройств, что позволило создавать программы, не зависящие от типов используемых внешних устройств. Операционные системы компьютеров третьего поколения предоставляли новые режимы использования компьютеров, одним из таких режимов был диалоговый режим доступа к компьютеру. Вершиной идей, заложенных в операционные системы компьютеров третьего поколения, стала операционная система Unix, которая открыла направление развития комплексной стандартизации пользовательских интерфейсов, как на уровне интерфейсов командных языков, так и на различных уровнях программных интерфейсов от правил взаимодействия с драйверами устройств до интерфейсов с прикладными системами.
Завершение формирования сегодняшнего понятия операционной системы может быть связано с появлением четвертого и последующих поколений компьютеров, в построении которых использовалась элементная база, основанная на больших интегральных схемах. Компьютеры четвертого поколения, в первую очередь, ассоциируются с персональными компьютерами, совершившими в полном смысле слова революцию в массовом распространении информационных технологий. Компьютер из инструмента прикладного программиста стал повседневным, массово распространенным и доступным оборудованием. В связи с этим возник целый ряд проблем, решение которых потребовалось в операционных системах. В первую очередь это совершенствование «дружественности» пользовательских интерфейсов, упрощающих взаимодействие пользователя и операционной системы. Здесь лидирующую позицию занимают операционные системы компании Microsoft, которые в полном смысле слова совершили революцию в обеспечении массовости освоения компьютера. Активное развитие получили сетевые технологии, что привело к появлению сетевых и распределенных операционных систем. В этот период времени наибольшее развитие получила всемирная сеть Internet. В свою очередь возникли задачи обеспечения операционными системами безопасности хранения и передачи данных.
Рис. 3. Этапы эволюции.
На данном этапе в результате эволюции понятий образовалось достаточно полное и однозначное определение того, что называется операционной системой, определена типовая структура операционной системы и функции ее основных компонентов. Сформировались принципиально новые разновидности операционных систем и режимов использования компьютеров.
Следует отметить тот факт, что развитие компьютеров, системного программного обеспечения, методов применения вычислительной техники показали, что единственным периодом истории, когда аппаратная часть разрабатывалась исключительно в качестве вычислителя без учета потребностей поддержки решения задач организации вычислительного процесса был период создания и производства компьютеров первого поколения. На сегодняшний день аппаратура и программное обеспечение современных компьютеров представляют единую взаимозависимую вычислительную систему, в которой многие функции операционной системы нельзя рассматривать вне контекста аппаратной поддержки компьютера, а многие аппаратные возможности сложно рассматривать вне контекста операционных систем (Рис. 3).
1.1 Основы архитектуры вычислительной системы
Современный компьютер и его программное обеспечение невозможно рассматривать в отдельности друг от друга. Рассматривая функционирование компьютера, мы всегда имеем в виду функционирование системы, в которой интегрированы аппаратура компьютера и его программное обеспечение. Результатом этой интеграции является вычислительная система (ВС), возможности и эксплуатационные качества которой определяются как аппаратурой компьютера, так и функционирующим на нем программным обеспечением. Вычислительную систему можно определить, как совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрим структурную организацию вычислительной системы.
1.1.1 Структура ВС
Традиционным представлением структуры вычислительной системы является пирамида (Рис. 4). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракции свойств вычислительной системы. Основанием является аппаратный уровень вычислительной системы — это основа всей иерархии, так как многие характеристики и функциональные возможности последующих программных уровней существенно определяются свойствами аппаратуры компьютера, находящегося в основе вычислительной системы.
Представление о возможностях и свойствах конкретной вычислительной системы формируются с позиций каждого из уровней структурной организации. Так вычислительная система представляется пользователю прикладной системы, работающей на компьютере, в виде совокупности возможностей этой прикладной системы. Примером может служить игровой автомат, являющийся компьютером, на котором функционирует операционная система, а также игровая программа, которая в данном случае является прикладной системой. Пользователю данной специализированной вычислительной системы ее свойства представляются в виде функциональных возможностей игровой программы и итоговой производительностью системы (если процессор компьютера маломощный, до динамика игры может быть недостаточной).
Другой пример — компьютер, используемый для обучения школьников языку программирования. Это означает, что для школьника или его учителя свойства данной вычислительной системы будут представляться с позиций уровня системы программирования, построенной на основе транслятора языка программирования, на котором идет обучение. Представление свойств вычислительной системы в данном случае будет формироваться из пользовательского интерфейса системы программирования в сочетании со свойствами и производительностью аппаратных компонентов компьютера.
Рис. 4. Структура вычислительной системы.
Взаимосвязи уровней иерархической структуры вычислительной системы, их характеристики могут проявляться как в виде непосредственных межуровневых интерфейсов, определенных однозначным набором правил использования объектов одного уровня другим, так и косвенным влиянием одного уровня на другой. Примером подобного косвенного взаимодействия может служить влияние, оказываемое на характеристики функционирования всей вычислительной системы в целом, производительности или емкости аппаратных компонентов компьютера (внешних устройств, процессора, оперативной памяти, линий связи и пр.). В качестве иллюстрации рассмотрим вычислительную систему, имеющую канал связи, обеспечивающий доступ в Интернет со скоростью 64 Kbps. Данная система сможет обеспечить достаточно комфортные условия для интенсивной работы в Интернете одного–двух пользователей. Если количество пользователей возрастет до 10, будут возникать задержки при обработке запросов, что снизит качество работы пользователей. При росте числа пользователей до 100, организовать их интенсивную работу в Интернете на данной вычислительной системе не представляется возможным, т.к. пропускная способность канала связи не справится с потоком запросов, поступающих от пользователей. Таким образом, проявляется косвенное влияние пропускной способности канала связи на эксплуатационные характеристики (или качества) вычислительной системы.
Рассмотрим основные характеристики и суть взаимосвязи уровней пирамиды, представляющей структуру вычислительной системы.
1.1.2 Аппаратный уровень ВС
Итак, аппаратный уровень вычислительной системы определяется набором аппаратных компонентов и их характеристик, используемых вышестоящими уровнями иерархии и оказывающих влияние на эти уровни. С позиций уровней, расположенных выше, аппаратный уровень предоставляют т.н. физические ресурсы, или физические устройства вычислительной системы. Каждому физическому ресурсу соответствуют определенные аппаратные компоненты компьютера и их характеристики. Физическими ресурсами являются процессор компьютера, оперативная память, внешние устройства, входящие в состав компьютера. Каждому физическому ресурсу вычислительной системы обычно соответствуют следующие характеристики:
- правила программного использования, определяющие возможность корректного использования данного ресурса в программе (для процессора компьютера эти правила описывают машинный язык — систему команд данного компьютера, на основании которой возможно построение работающей программы, для внешнего устройства компьютера подобные правила описывают способы программного управления данным устройством, к примеру, это могут быть специальные команды ввода-вывода процессора);
- параметры физического ресурса, характеризующие его объемные характеристики и/или производительность (для процессора компьютера таким параметром может служить его тактовая частота, а для внешнего запоминающего устройства — объем информации, которая может храниться на данном устройстве и скорость доступа);
- степень использования данного физического ресурса в вычислительной системе — это параметры, которые характеризуют степень занятости или используемости данного физического ресурса (для процессора компьютера такой характеристикой является время его работы, затраченное на выполнение программ пользователей, для оперативного запоминающего устройства это будет объем используемой памяти, для линий связи — это ее загруженность).
В принципе нет единого правила формирования этих характеристик для любого физического ресурса: они зависят от конкретного устройства компьютера, от архитектуры компьютера, от стратегии использования данного ресурса. Так, например, для одного и того же внешнего устройства правила его программного использования могут существенно отличаться от того, каким образом данное устройство подключено к компьютеру. Об этом более подробно будет рассказано несколько позднее, в пункте, посвященном внешним устройствам компьютера (см. раздел 2). Тем не менее, данные характеристики служат для обеспечения взаимосвязи аппаратного уровня вычислительно системы с последующими уровнями иерархии.
Если мы будем рассматривать уровни организации вычислительной системы с точки зрения возможностей и средств программирования, то на аппаратном уровне пользователю вычислительной системы предоставлены в качестве средств программирования система команд компьютера и аппаратные интерфейсы программного взаимодействия с физическими ресурсами, что на самом деле практически полностью совпадает со средствами программирования, которые были доступны программистам на ранних этапах освоения компьютеров первого поколения.
1.1.3 Управление физическими ресурсами ВС
Уровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системного программного обеспечения вычислительной системы. Его назначение — систематизация и стандартизация правил программного использования физических ресурсов. Для иллюстрации проблемы вернемся во времени к компьютерам первого поколения. Начальный этап зарождения вычислительной техники был этапом структурного «хаоса»: вычислительная система представлялась двухуровневой моделью, состоящей из уровня аппаратуры компьютера и уровня всего программного обеспечения. Программа пользователя включала в себя как кодовую часть, реализующую решение конкретной прикладной задачи, так и часть, которая обеспечивала взаимодействие с физическими устройствами компьютера (в большинстве случаев речь шла об управлении внешними устройствами компьютера). Программирование управления физическими устройствами — достаточно кропотливая работа, при которой необходимо учитывать сложную логику организации взаимодействия с конкретным устройством компьютера. Для адаптации возможности программы для работы с другими типами устройств требовалась существенная модификация кода программы в части, обеспечивающей это взаимодействие, что приводило к существенным трудозатратам, а также снижало надежность программы из-за роста риска внесения ошибок в логику ее работы.
Частичным решением этих проблем стало появление специальных стандартных программ — драйверов физических ресурсов (или драйверов физических устройств). Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. Драйвер физического устройства скрывает от пользователя детальные элементы управления конкретным физическим устройством и предоставляет пользователю упрощенный программный интерфейс работы с устройством. Интерфейс драйвера физического устройства ориентирован на конкретные свойства устройства. Таким образом, в вычислительной системе, способной одновременно работать со значительным количеством устройств (устройства печати, устройства внешней памяти и т.п.), пользователю становится доступным спектр драйверов физических устройств, каждый из которых имеет свои особенности использования. Драйвер физического устройства стал неотъемлемой частью самого физического устройства и в большинстве случаев разрабатывался производителем устройства вместе с сами устройством.
Совокупность драйверов физических устройств составляет уровень управления физическими устройствами вычислительной системы. Уровень управления физическими устройствами стандартизует правила, по которым возможно внесение в систему новых драйверов устройств. Следует отметить, что в системе для одного и того же физического устройства возможно наличие нескольких различных драйверов, которые имеют различные пользовательские интерфейсы, а также предоставляют различные возможности. Примером может служить устройство магнитной лены, которое в зависимости от драйвера может сохранять информацию либо в виде последовательности блоков одинакового размера, либо в виде логических записей произвольного размера (Рис. 5).
Рис. 5. Пример зависимости от драйвера.
Таким образом, на уровне управления физическими ресурсами (устройствами) вычислительной системы пользователю доступна система команд компьютера, а также интерфейсы драйверов физических устройств компьютера.
Появление уровня управления физическими устройствами упростило процесс адаптации программы для работы с различными типами и разновидностями устройств, а также существенно повысило надежность программирования и снизило уровень требований к программисту о знании специфики управления конкретными устройствами. Однако использование исключительно уровня драйверов физических устройств оставило ряд специфических проблем:
- программист должен быть «знаком» со всеми интерфейсами драйверов используемых физических устройств;
- программы пользователей, использующие конкретные драйверы физических устройств, должны модифицироваться каждый раз, когда возникает необходимость использовать другие физические устройства данного типа (это работа несоизмеримо проще той, которая выполнялась, когда внешнее устройство непосредственно программировалось в программе пользователя, но, тем не менее, в программу необходимо внести изменения, позволяющие использовать другой драйвер с другими интерфейсами).
1.1.4 Управление логическими/виртуальными ресурсами
Развитием системного программного обеспечения стало появление уровня управления логическими, или виртуальными, ресурсами (или устройствами). В основу этого уровня легло обобщение особенностей физических устройств одного вида и создание драйверов, имеющих единые интерфейсы, посредством которых осуществляется доступ к различным физическим устройствам одного типа. Для этих целей в современных вычислительных системах предусмотрена возможность программного создания и использования т.н. логических, или виртуальных, ресурсов (виртуальное —нечто реально не существующее, не имеющее реальной, физической организации). Логическое/виртуальное устройство (ресурс) — это устройство/ресурс, некоторые эксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованы программным образом. Современные вычислительные системы позволяют создавать разнообразные логические/виртуальные устройства и соответствующие им драйверы. Драйвер логического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающая существование и использование соответствующего ресурса. Для этих целей при его реализации возможно использование существующих драйверов физических и виртуальных устройств. Возможно построение достаточно развитой иерархии логических устройств. Например, на рисунке изображена упрощенная схема организации ввода-вывода в системе. Она включает в себя многоуровневую иерархию виртуальных и физических устройств и соответствующих им драйверов, по степени обобщения которых можно выделить следующие группы.
A. Драйверы физических устройств — обеспечивают доступ к конкретным физическим устройствам. Например, драйвер жесткого диска фирмы IBM модели Deskstar или драйвер жесткого диска фирмы Seagate модели Barracuda 3. Каждый из данных драйверов имеет особенности, характеризующие конкретное устройство, отраженные в соответствующем интерфейсе.
B. Драйверы виртуальных устройств определенного типа (например, драйвер виртуального диска), предоставляют обобщенные интерфейсы доступа к разнообразным физическим устройствам данного типа. Данные драйверы имеют связи с драйверами конкретных физических устройств данного типа. Запрос к данному драйверу виртуального устройства обычно транслируется драйверу конкретного физического устройства и, в конечном итоге, управляющие команды получит само устройство. Кроме того, возможна «реализация» виртуального устройства определенного типа на устройствах других типов, например, возможна организация работы с виртуальным диском, реализованном на пространстве оперативной памяти, в этом случае драйвер виртуального устройства имеет связь с драйверами физических устройств других типов.
C. Драйверы виртуальных устройств, которым затруднительно поставить в соответствие физическое устройство или группу физических устройств определенного типа. Примером могут служить драйверы различных файловых систем (файловая система — программный компонент вычислительной системы, обеспечивающий именованное хранение и доступ к данным).
Основным результатом появления уровня управления виртуальными устройствами вычислительной системы стала многоуровневая унификация интерфейсов доступа к ресурсам вычислительной системы, что существенно упростило проблему программирование устройств компьютера, а также предоставило качественно новые возможности в функционировании вычислительных систем и в создании их программного обеспечения. Примером могут служить файловые системы, которые обеспечивают простые и надежные интерфейсы именованного хранения и использования данных, полностью скрывая от пользователя проблемы ее внутренней организации. К примеру, пользователь современной вычислительной системы может не только не знать, на каком внешнем запоминающем устройстве размещены данные его файлов, он может не знать и территориальное расположение и тип компьютера, на котором хранятся его данные. Существенное развитие получили средства управления виртуальными устройствами (ресурсами), которые обеспечивают контроль за созданием и использованием ресурсов вычислительной системы.
Рис. 6. Схема организации ввода-вывода в системе.
Итак, мы рассмотрели два первых программных уровня структуры вычислительной системы — это уровни, обеспечивающие функционирование ресурсов в вычислительной системе. Под ресурсами вычислительной системы мы будем понимать совокупность всех физических и виртуальных ресурсов. Одной из характеристик ресурсов вычислительной системы является их конечность. То есть рано или поздно в системе возникает конкуренция за обладание ресурсом между его программными потребителями. При этом если речь идет о таком виртуальном ресурсе, как файловая система, то конечным является размер файловой системы на устройствах хранения данных, ограничения на предельное количество зарегистрированных в файловой системе файлов. Именно за эти параметры возможно возникновение конкуренции при использовании файловой системы. А теперь попытаемся вернуться к проблеме определения понятия операционной системы. Операционная система — это комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы. Это основная концепция данного понятия. Позднее мы будем уточнять это определение, рассматривать отдельные функции ОС. В структурной организации вычислительной системы операционная система представляется уровнями управления физическими и виртуальными ресурсами.
С точки зрения средств программирования, доступных на уровне управления виртуальными ресурсами, пользователю предоставляются система команд компьютера, а также интерфейсы, обеспечивающие доступ к устройствам компьютера (как физическим, так и виртуальным). Доступная пользователю совокупность интерфейсов устройств компьютера может включать в себя как аппаратные интерфейсы доступа к устройствам, так и драйверы физических и/или виртуальных устройств. Конкретный состав интерфейсов определяется свойствами вычислительной системы, соответствующими, уровнями управления ресурсами, а также привилегиями пользователя (об этом подробнее мы будем говорить несколько позднее).
1.1.5 Системы программирования
Прежде[R3] чем начать рассматривать следующий уровень структурной организации вычислительных систем, обратимся к последовательности этапов, традиционно связываемых с разработкой и внедрением программных систем. Совокупность этих этапов составляют жизненный цикл программы в вычислительной системе. Остановимся на основных задачах, решаемых на каждом из этапов жизненного цикла программы. Следует отметить, что мы будем рассматривать традиционное, неформальное определение этапов жизненного цикла программы, которые сформировались естественным образом в процессе появления и развития вычислительной техники и программного обеспечения. На сегодняшний день существуют международные стандарты, которые формализуют понимание жизненного цикла программы (например, ISO/IEC 12207: 1995 “Information Technology — Software Life Cycle Processes), но это стандарты, соответствующие исключительно сегодняшнему пониманию этого термина и связанные во многом с существующими на сегодня технологиями программирования.
Проектирование программной системы. На данном этапе принимаются решения, традиционно включающие в себя следующие шаги.
- Исследование решаемой задачи, формирование концептуальных требований к разрабатываемой программной системе.
- Определение характеристик объектной вычислительной системы — характеристик аппаратных и программных компонентов вычислительной системы, в рамках которой будет работать создаваемая программная система.
- Построение моделей функционирования автоматизируемого объекта.
- Определение характеристик инструментальной вычислительной системы — вычислительной системы, которая будет использоваться при создании программной системы. Зачастую характеристики объектной и инструментальной вычислительной системы совпадают: тип вычислительных систем, на которых в дальнейшем будет работать программная система, совпадает с типом вычислительной системы, которая использовалась при разработке. Однако, в общем случае это не совсем так. Тип и качества инструментальных вычислительных систем могут в корне отличаться от соответствующих характеристик объектных ВС. Примером может служить программирование специализированных вычислительных систем, предназначенных для управления технологическими процессами. Очевидно, что специализированная вычислительная система, которая управляет навигационной системой космического спутника, не должна обладать возможностями разработки на ней программного обеспечения. Специализация данной системы ориентирована на решение конкретных, достаточно специальных задач (например, обработки сигналов, поступающих от радаров). Программное обеспечение для подобной вычислительной системы может разрабатываться отдельно, на вычислительной системе, предназначенной для этих целей.
- Выбор основных алгоритмов, инструментальных средств, которые будут использованы при программировании, а также разработка архитектуры программного решения, включающей разбиение программного решения на основные модули и определение информационных связей между модулями системы, а также правила взаимодействия с объектной вычислительной системой.
- Априорная оценка ожидаемых результатов. Один из важнейших шагов проектирования программной системы, заключающийся в предварительной оценке характеристик проектируемого решения до начала его практической реализации. Для этих целей используются различные методы моделирования. Наличие априорной оценки ожидаемых результатов проектирования программной системы позволяет существенно повысить качество программного продукта, который будет создан на основании результатов этапа проектирования, а также сократить затраты на его создание.
Данная последовательность шагов является достаточно укрупненной, и не всегда проектирование разбивается на линейную последовательность этих шагов. Часто проектирование представляет собою итерационный процесс, в котором возможны неоднократные возвраты к тем или иным шагам (Рис. 7).
Рис. 7. Этапы проектирования.
Следующий этап жизненного цикла программы — кодирование (программная реализация, или реализация). Это этап построения кода программой системы на основании спецификаций, полученных при ее проектировании. На данном этапе используются инструментальные средства программирования:
- трансляторы языков программирования, средства поддержки и использования библиотек программ, формирования модулей, которые могут исполняться в вычислительной системе;
- средства управления разработкой программных продуктов коллективом разработчиков.
Результатом этапа кодирования является реализация программной системы, которая может представляться в виде совокупности исходных модулей программы, объектных или библиотечных модулей, а также модулей исполняемого кода разрабатываемой программной системы (Рис. 8). 
Рис. 8. Кодирование.
Большое значение для разработки больших, логически сложных программных систем имеют средства управления разработкой программных продуктов, которые позволяют организовать эффективную коллективную работу над реализацией программного проекта. Традиционно они включают в себя следующие компоненты:
- средства автоматизации контроля использования межмодульных интерфейсов, которые обеспечивают контроль правильности использования в программе спецификаций, регламентирующих межмодульные связи (количество, тип, права доступа к параметрам, обеспечивающим межмодульной взаимодействие в программе);
- средства автоматизации получения объектных и исполняемых модулей программы, обеспечивающие автоматический контроль за соответствием исходных модулей объектным и исполняемым модулям (так, если в проекте появилась новая редакция некоторого исходного модуля, то при запуске этого средства автоматически произойдет последовательность действий, обновляющих объектные и исполняемые модули, зависящие от данного исходного модуля);
- система поддержки версий — система, позволяющая фиксировать состояние разработки программного проекта (создание версии проекта) и, при необходимости, возвращаться в разработке к той или иной версии проекта.
Этап тестирования и отладки программной системы. Можно представить программу в виде некоторого автомата, получающего на входе исходные данные, а на выходе формирующий результат (Рис. 9). Одной из задач проектирования программной системы является определение ее правил функционирования, точнее, правил, по которым для входных данных формируются выходные данные (или результаты). Тестирование программы — процесс проверки правильности функционирования программы на заранее определенных наборах входных данных — тестах, или тестовых нагрузках. В общем случае, говорить о "правильности" программы вообще не совсем корректно. Мы можем говорить о правильности функционирования программы на некоторых наборах тестов. Таким образом, при тестировании выявляется работоспособность программы на данном тесте (или на наборе тестов) или имеющаяся в программе ошибка. Понятно, что для любой программы абсолютно полным тестом является перебор всевозможных входных данных программы, но множество таких тестов настолько велико, что обработать их не представляется возможным. Поэтому актуальной задачей в тестировании является решение проблемы формирования минимального набора тестов или тестовых нагрузок, наиболее полно проверяющих функциональность программы (тестовое покрытие).
Рис. 9. Тестирование.
Другим компонентом данного этапа является отладка. Отладка — это поиск, локализация и исправление зафиксированных при тестировании или в процессе эксплуатации ошибок. Для обеспечения процесса отладки используются специальные программные средства — отладчики. Средства отладки существенно зависят от типа и назначения создаваемой программной системы.
Этап ввода программной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождения. Немаловажным этапом жизненного цикла программы в вычислительной системе является этап, связанный с представлением разрабатываемой программной системы в качестве программного продукта. Одним из основных требований, предъявляемых к программному продукту, является возможность эксплуатации соответствующей программной системы без постоянного участия разработчика программы. Это достигается, с одной стороны, соответствующей надежностью программы (для этого программа должна быть максимально полно протестирована и устойчива к всевозможным комбинациям входных данных), а с другой стороны — это наличие подробной и адекватной программе документации, необходимой для всех категорий пользователей данной программной системы (пользователь, системный программист, администратор, оператор и т.п.).
Итак, мы рассмотрели основные этапы жизненного цикла программы в вычислительной системе. При создании различных программных систем, при использовании различных технологий разработки данные этапы могут выполняться как линейно, так и итерационно, с возвратами от одного этапа к другому, последовательными уточнениями спецификаций и расширением реализации программной системы. Современные технологии разработки программного обеспечения специфицируют различные модели организации жизненного цикла программной системы. Традиционная модель — каскадная модель (Рис. 10) — представляет разработку в виде строго линейной последовательности этапов, каждый из которых заканчивается фиксацией результата, и только после этого начинается последующий.
Рис. 10. Каскадная модель.
В определенном смысле эта модель является вырожденной, т.к. соблюсти эти правила на практике достаточно сложно. Примером может служить связка этапа тестирования и отладки с предшествующими этапами, которая по своей сути итерационна (после обнаружения и локализации ошибки зачастую необходимо вернуться к этапу кодирования, а возможно и проектирования). Прагматическим развитием каскадной модели является каскадная итерационная модель (Рис. 11), которая в общем случае, предоставляет возможность осуществления анализа полученных на этапе результатов и возврат к любому предшествующему этапу.
Рис. 11. Каскадная итерационная модель.
Современные технологии разработки программного обеспечения помимо каскадной модели используют и другие модели организации жизненного цикла программных систем. В частности, популярной является спиральная модель организации жизненного цикла (Рис. 12).
Данная модель основана на том, что процесс разработки программной системы складывается из последовательности "спиралей", каждая из которых включает этапы проектирования, кодирования, тестирования и получения результата. Под результатом понимается очередная детализация проекта и получение последовательности программ — прототипов. Прототип — программа, реализующая частичную функциональность и внешние интерфейсы разрабатываемой системы. Последовательность прототипов, в конечном счете, сходится к реализации программной системы. А детализации проекта, в итоге, превращаются в полный проект системы.
Рис. 12. Спиральная модель.
Вернемся к рассмотрению следующего уровня иерархической организации вычислительных систем — к уровню систем программирования. Система программирования — комплекс программ, обеспечивающий поддержание этапов жизненного цикла программы в вычислительной системе. Этапы жизненного цикла программы оставались в той или иной мере неизменными с момента зарождения вычислительных систем, т.к. всегда были и решались проблемы проектирования программной системы, кодирования, тестирования и отладки, подготовки эксплуатационной документации и сопровождения. В тоже время, определение системы программирования как комплекса программных средств, предназначенных для автоматизации этапов жизненного цикла программы, изменялось постоянно вместе с появлением и развитием данных средств. Рассмотрим развитие состава и основных функций понятия система программирования в хронологии развития вычислительных систем.
Начало 50-х годов ХХ века. Первые системы автоматизации программирования. Система программирования или система автоматизации программирования включала в себя ассемблер (или автокод) и загрузчик. Несколько позднее появились библиотеки стандартных программ и макрогенераторы. Основная функция первых систем программирования — предоставление программисту системы мнемонического обозначения компьютерных команд и данных, используемых в программах, а также предоставление возможности создавать и использовать библиотеки программ.
Середина 50-х — начало 60-х годов ХХ века. Появление и распространение языков программирования высокого уровня (Фортран, Алгол-60, Кобол и др.). Формирование концепций модульного программирования. Система программирования: макроассемблеры, трансляторы языков высокого уровня, редакторы внешних связей, загрузчики.
Середина 60-х — начало 90-х годов ХХ века. Развитие интерактивных и персональных систем, появление и развитие языков объектно-ориентированного программирования. Система программирования: трансляторы языков программирования, редакторы внешних связей, загрузчики, средства поддержания библиотек программ, интерактивные и пакетные средства отладки программ, системы контроля версий, средства поддержки проектов.
90-е годы ХХ века — настоящее время. Появление промышленных средств автоматизации проектирования программного обеспечения, CASE-средств (Computer-Aided Software/System Engineering), унифицированного языка моделирования UML. Системы программирования: интегрированные системы, предоставляющие комплексные решения в автоматизации проектирования, кодирования, тестирования, отладки и сопровождения программного обеспечения.
Мы видим, что интерпретация термина система программирование претерпела изменение от самого примитивного: «система программирования — это транслятор языка программирования и средства редактирования связей», — до современного: «система программирования — это комплекс программ, обеспечивающий технологию автоматизации проектирования, кодирования, тестирования, отладки и сопровождения программного обеспечения». Функции конкретной системы программирования определяются составом программных компонентов, которые могут использоваться для поддержания этапов жизненного цикла программы, и степенью интеграции этих компонентов. Таким образом, системой программирования будет являться как система, включающая только транслятор языка Си, ассемблер, редактор связей и интерактивный отладчик, так и, например, система Rational Rose — набор объектно-ориентированных CASE-средств, предназначенных для автоматизации процессов анализа, моделирования и проектирования с использованием UML, а также для автоматической генерации кодов программ на различных языках (C++, Java и пр.), разработки проектной документации и реверсного инжиниринга программ. На сегодняшний день выбор конкретной системы программирования во многом зависит как от масштабности и сложности решаемой задачи автоматизации, так и от квалификации программистов.
Уровень системы программирования основывается на доступе к виртуальным и физическим ресурсам, предоставляемым операционной системой (или уровнями управления физическими и виртуальными ресурсами), и предоставляет программистам инструментальные средства разработки программных систем, каждая из которых предназначена для решения своего круга задач.
1.1.6 Прикладные системы
Итак, мы переходим к вершине структурной организации вычислительных систем — к уровню прикладного программного обеспечения. Прикладная система — это программная система, ориентированная на решение или автоматизацию решения задач из конкретной предметной области. Прикладная система является прагматической основой всей вычислительной системы, так как, в конечном счете, именно для решения конкретных прикладных задач создавались все те уровни вычислительной системы, которые мы рассмотрели к настоящему времени.
В истории развития прикладных систем можно выделить четыре этапа. Первый — прикладные системы компьютеров первого поколения. Основной характеристикой данных систем являлось то, что для автоматизации решения каждой конкретной задачи создавалась уникальная программная система, которая не предполагала возможность модификации функциональности, переноса с одной вычислительной системы на другую (Рис. 13). Пользовательского интерфейса не было, как такового. Подавляющее большинство решаемых прикладных задач было связано с моделированием физических процессов, и, в свою очередь, результаты моделирования представлялись в виде последовательностей чисел и числовых таблиц. Уровень инструментальных средств программирования, доступных для решения прикладных задач, накладывал достаточно жесткие требования к квалификации специалистов, занимающихся автоматизацией решения прикладных задач. Кроме знания предметной области, алгоритмов и методов решения соответствующих прикладных задач программист должен был владеть средствами программирования компьютеров первого поколения — уметь использовать для этих целей систему команд или ассемблер компьютера.
Рис. 13. Первый этап развития прикладных систем.
Второй этап — развитие систем программирования и появление средств создания и использования библиотек программ (Рис. 14).
Рис. 14. Второй этап развития прикладных систем.
Библиотеки прикладных программ позволили аккумулировать и многократно использовать практический опыт численного решения типовых задач из конкретных предметных областей. Составляющие библиотеку подпрограммы служили "строительными блоками", которые в интеграции с системами программирования использовались для разработки прикладных систем. Библиотеки прикладных программ стали одними из первых программных систем, которые могли относиться к категории программных продуктов — документированных, прошедших детальное тестирование, распространенное в пользовательской среде. Библиотеки прикладных программ, наверное, были одними из первых коммерческих программных продуктов, т.е. они являлись интеллектуальным товаром, который можно было продать и купить. Примером может служить библиотека программ численного интегрирования, включающая в свой состав подпрограммы, реализующие всевозможные методы численного нахождения значений определенных интегралов. Библиотеки прикладных программ существенно упростили процесс разработки прикладных систем, однако требования к квалификации прикладного программиста оставались достаточно высокими. Прикладные системы этого этапа создавались с использованием стандартных систем программирования и в большей части были уникальны: создавались для решения конкретной задачи в конкретных условиях.
Третий этап характеризуется появлением пакетов прикладных программ (ППП), которые включали в себя программные продукты (Рис. 15), предназначенные для решения широкого комплекса задач из конкретной прикладной области и обладающие следующими свойствами:
- программные продукты имели развитые, стандартизованные пользовательские интерфейсы, не требующие высокой программисткой квалификации от прикладного пользователя и значительных затрат на их освоение;
Рис. 15. Третий этап развития прикладных систем.
- функциональные возможности прикладных программ, входящих в состав ППП и их пользовательские интерфейсы позволяли решать разнообразные задачи данной прикладной области;
- возможно совместное использование программных продуктов, входящих в состав ППП при решении конкретных задач.
Примерами наиболее распространенных пакетов прикладных программ могут служить Microsoft Office (Рис. 16), предназначенный для автоматизации офисной деятельности или пакет MathCAD (Рис. 17), предназначенный для решения задач, связанных с математическими и техническими расчетами.
Рис. 16. Пакет программ Microsoft Office.
Рис. 17. Пакет MathCAD.
Современный этап — это этап комплексных, адаптируемых к конкретным условиям программных систем автоматизации прикладных процессов, построенных на основе развития концепций пакетов прикладных, интегрированных с современными системами программирования и использующими передовые технологии проектирования и разработки программного обеспечения[R4] . Особое развитие получили системы автоматизации бизнес-процессов.
Рассмотрим основные тенденции в развитии современных прикладных систем.
1. Стандартизация моделей автоматизируемых бизнес-процессов и построение в соответствии с данными моделями прикладных систем управления. В результате детального анализа и структуризации процессов, происходящих на различных уровнях управления предприятиями, взаимодействия предприятий друг с другом или взаимодействия предприятия с потребителями были стандартизованы разнообразные модели бизнес-процессов и, в свою очередь, появились прикладные системы, ориентированные на их автоматизацию. Примером могут служить следующие разновидности систем:
- B2B-система (business to business), обеспечивающая поддержку модели межкорпоративной торговли продукцией с использованием Internet (примером может служить электронные биржи);
- B2C-система (business to customer), обеспечивающая поддержку в Internet модели торговых отношений между предприятием и частным лицом — потребителем (примером может служить Интернет-магазин);
- ERP (Enterprise Resource Planning) — планирование ресурсов в масштабе предприятия, автоматизированная система управлением предприятием;
- CRM (Customer Relationship Management) — система управления взаимоотношениями с клиентами.
2. Открытость системы: потребителю системы открыты прикладные интерфейсы, обеспечивающие основную функциональность системы, а также стандарты организации внутренних данных. Прикладные интерфейсы (API — Application Programming Interface) совместно со стандартными средствами систем программирования, системы шаблонов и специализированные средства настройки прикладной системы позволяют адаптировать и развивать функциональные возможности прикладных систем к особенностям конкретного потребителя системы. Примером может служить система BAAN, предназначенная для комплексного решения задач автоматизации бизнес-процессов предприятия (Рис. 18). Система включает в себя модули, обеспечивающие мониторинг текущей деятельности предприятия, финансовый учет и отчетность, планирование производства, поддержку управления проектами, финансовыми средствами, инвестициями, закупкой и сбытом продукции, и т.п. Кроме того, система позволяет пользователю дополнять существующую функциональность собственными разработками: для этого предназначена подсистема «Инструментарий», в которой предоставляются средства разработки новых приложений. Стандартизация организации внутренних данных прикладных систем и их открытость создают возможности для существенного упрощения интеграции данных систем с другими прикладными системами и программами. Примером может служить использование XML (Extensible Markup Language — расширяемый язык разметки) в качестве открытого стандарта для описания бизнес-объектов и протоколов обмена данными в В2В приложениях.
3. Использование современных технологий и моделей организации системы: Internet/Intranet-технологии, средства и методы объектно-ориентрованного программирования (ООП), модель клиент/сервер, технологии организации хранилищ данных и аналитической обработки данных с целью выявления закономерностей и прогнозирования решений, и др.
Рис. 18. Система BaaN.
Современная прикладная система предполагает глубокую интеграцию всех компонентов вычислительной системы: аппаратной части, операционной системы, системы программирования. В итоге, возможно разделение пользователей прикладной системы на следующие категории:
- оператор или прикладной пользователь, оперируя средствами пользовательского интерфейса и функциональными возможностями системы, решает конкретные прикладные задачи. Примером может служить работа инженера по проектированию оборудования с использованием системы AutoCAD или работа менеджера крупной компании, использующей аналитические средства системы управления бизнесом на основе решений BAAN;
- системный программист — пользователь компонентов прикладной системы, обеспечивающий возможности интеграции данной системы в конкретной вычислительной системе, возможности настройки в соответствии с конкретными особенностями эксплуатации системы на конкретном предприятии, доработку функциональных возможностей системы, удовлетворяющих потребностям и особенности эксплуатации. Например, применение пакета Microsoft Office с точки зрения системного программиста может варьироваться от автоматизации часто повторяющейся последовательности действий путем написания так называемых «макросов» до создания новых интерактивных приложений, функционирующих в среде MS Office. Основу технологии автоматизации на базе MS Office составляет предоставление офисных приложений в виде унифицированной иерархической объектной модели и использование единого внутреннего механизма программирования приложений на основе Visual Basic for Applications (VBA);
- системный администратор обеспечивает выполнение текущих работ по поддержке функционирования программной системы в конкретных условиях: в их состав могут входить регистрация пользователей и распределение полномочий и прав между ними, контроль за обеспечение сохранности и целостности данных, фиксация проблем, возникающих в процессе эксплуатации, и обоснованное выполнение обновлений системы, поступающих от разработчика.
Каждой категории пользователей прикладной системы предоставлены свои, специализированные средства работы, которые предназначены для решения конкретных задач данного пользователя.
1.1.7 Выводы, литература
Мы рассмотрели основные уровни структурной организации вычислительной системы. Следует отметить, что рассмотренная нами модель организации вычислительной системы не единственная: существуют и другие подходы в определении структуры ВС, но в большинстве случаев отличия не являются принципиальными. Выбранная нами модель служит основой для дальнейшего изложения материала.
Вернемся к вопросу, который в той или иной степени затрагивался при рассмотрении каждого из уровней ВС. Как представляется вычислительная система пользователя ВС на каждом из уровней? Что видит или что доступно пользователю ВС, который находится на одном из уровней структурной организации вычислительной системы? Рассмотрим еще раз уровни структурной организации ВС с позиций обозначенных вопросов (Рис. 19).
Рис. 19. Структура организации вычислительной системы.
Аппаратный уровень. Пользователь вычислительной системы — программист. Доступные средства программирования: система команд компьютера, аппаратные интерфейсы программного управления внешними устройствами. Таким образом, пользователь ВС, находясь на уровне аппаратуры, работает с конкретным компьютером.
Уровень управления физическими ресурсами. На данном уровне пользователем системы также является программист. Средства программирования, которые предоставляются пользователю на данном уровне, претерпели изменения, т.к. кроме возможности работы с системой команд компьютера, с аппаратными интерфейсами программного управления внешними устройствами пользователю предоставляются интерфейсы драйверов физических устройств (ресурсов) компьютера. С позиций программиста, он работает с компьютером, имеющим расширенные, по сравнению с предыдущим уровнем, возможности. Кроме стандартных аппаратных средств программирования компьютера (система команд, аппаратные интерфейсы взаимодействия с физическими внешними устройствами) появились интерфейсы драйверов физических устройств (ресурсов) компьютера.
Уровень управления логическими или виртуальными ресурсами. На данном уровне структурной организации вычислительной системы спектр средств программирования расширяется за счет интерфейсов драйверов виртуальных/логических устройств (или ресурсов). В общем случае, для программиста, работающего с системой на данном уровне, средства программирования компьютера представляются:
- системой команд компьютера;
- аппаратными интерфейсами программного управления физическими устройствами;
- интерфейсами драйверов физических устройств;
- интерфейсами драйверов виртуальных устройств.
Операционная система может ограничить доступ пользователей к аппаратным средствам управления внешними устройствами, к драйверам физических устройств, к некоторым драйверам виртуальных устройств. Однако, "условный" пользователь уровня управления виртуальными устройствами вычислительной системы работает с компьютером, имеющим расширенные возможности. При этом пользователь может не знать о том, какие устройства, используемые в его программе, являются физическими, реально существующими, а какие — виртуальными. А даже если он и знает, что какое-то устройство является, к примеру, физическим, то, скорее всего, он не имеет никакого представления о деталях организации управления этого устройства на уровне аппаратных интерфейсов.
Уровень систем программирования. Для иллюстрации проблемы упростим структуру системы программирования, рассмотрим практически вырожденный случай. Пусть система программирования, с которой работает пользователь ВС, состоит только из транслятора языка высокого уровня и стандартной библиотеки программ, — например, языка Си. В этом случае представление пользователя о компьютере, на котором он работает, может свестись к языковым конструкциям языка Си и возможностям, предоставляемым стандартной библиотекой языка Си. Происходит очередное "расширение" возможностей компьютера за счет конструкций языка Си и его стандартной библиотеки. Более того, пользователь может работать на данном "расширенном" компьютере, не подозревая о реальной архитектуре аппаратного уровня ВС, о физических и виртуальных устройствах, поддерживаемых операционной системой, о системе команд и внутренней организации данных реального компьютера.
Уровень прикладных систем. Тенденция "расширения" возможностей компьютера продолжается и на прикладном уровне. При этом для каждой категории пользователей прикладного уровня вычислительной системы существует свое расширение компьютера. Так, например, для оператора прикладной системы компьютер представляется набором функциональных средств прикладной системы, доступной через пользовательский интерфейс. Рассмотрим работу кассира в современном супермаркете, кассовый аппарат которого может являться специализированным персональным компьютером, работающим в составе системы автоматизации деятельности всего магазина. Для кассира работа с этим компьютером и, соответственно, возможности этого компьютера представляются в виде возможностей прикладной подсистемы, автоматизирующей его рабочее место. Заведомо кассир магазина может не иметь никаких представлений о внутренней организации специализированной вычислительной системы, на которой он работает (тип компьютера, тип операционной системы, состав драйверов ОС и т.п.).
Не будет преувеличением утверждение, что не менее 90% современных пользователей персональных компьютеров не имеют представления о системе команд компьютера, о структуре компьютерных данных, об аппаратных интерфейсах управления физическими устройствами — все это скрывают расширения компьютера, которые образуются за счет соответствующих уровней вычислительной системы. Мы будем говорить, что каждый пользователь, работая в соответствующем расширении компьютера, работает в виртуальной машине или виртуальном компьютере. Реальный компьютер используется непосредственно исключительно на аппаратном уровне. Во всех остальных случаях пользователь работает с программным расширением возможностей реального компьютера — с виртуальным компьютером. Причем "виртуальность" этого компьютера (или этих компьютеров) возрастает от уровня управления физическими ресурсами ВС до уровня прикладных систем.
Вернемся к замечаниям, с которых начали данный раздел, касающихся неоднозначности определений многих компонентов вычислительных систем и, в частности, неоднозначности определения термина «операционная система».
В некоторых изданиях ошибочно ассоциируют понятие виртуального компьютера исключительно с операционной системой. Это не так. Только что мы показали, что "виртуальность компьютера", с которым работает пользователь вычислительной системы, начинается с уровня управления физическими устройствами и завершается на уровне прикладных систем.
Также не совсем правильным является утверждение, что операционная система предоставляет пользователю удобства работы с вычислительной системой или простоту ее программирования. На самом деле эти свойства в большей степени принадлежат прикладным системам или системам программирования. Одной из возможных причин подобной неоднозначности является то, что на ранних периодах развития вычислительной техники системы программирования рассматривались в качестве компонента операционных систем. Вычислительная система является продуктом глубокой интеграции ее компонентов, и, безусловно, на удобства работы с ВС и на простоту программирования оказывают влияние и аппаратура компьютера, и операционная система, но эти свойства в существенно большей степени характеризуют системы программирования и прикладные системы.
В настоящем разделе были рассмотрены следующие базовые определения, понятия.
Вычислительная система — совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрена пятиуровневая модель организации вычислительной системы: аппаратный уровень, уровень управления физическими ресурсами ВС, уровень управления логическими/виртуальными ресурсами, уровень систем программирования и уровень прикладных систем. Круг задач, на решение которых ориентирована вычислительная система, определяется наполнением уровня прикладных систем, однако возможность реализации тех или иных прикладных систем определяется всеми остальными уровнями, составляющими структурную организацию ВС.
Физические ресурсы (устройства) — компоненты аппаратуры компьютера, используемые на программных уровнях ВС или оказывающие влияние на функционирование всей ВС. Совокупность физических ресурсов составляет аппаратный уровень вычислительной системы.
Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. Драйвер физического устройства скрывает от пользователя детальные элементы управления конкретным физическим устройством и предоставляет пользователю упрощенный программный интерфейс работы с устройством.
Логические, или виртуальные, ресурсы (устройства) ВС — устройство/ресурс, некоторые эксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованы программным образом.
Драйвер логического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающая существование и использование соответствующего ресурса, для этих целей при его реализации возможно использование существующих драйверов физических и виртуальных устройств.
Ресурсы вычислительной системы — это совокупность всех физических и виртуальных ресурсов данной вычислительной системы.
Операционная система — это комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы. В структурной организации вычислительной системы операционная система представляется уровнями управления физическими и виртуальными ресурсами.
Жизненный цикл программы в вычислительной системе — проектирование, кодирование (программная реализация или реализация), тестирование и отладка, ввод программной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождение.