Операционные системы дополняют аппаратные средства любой ЭВМ, позволяя прикладным программам обращаться к устройствам ЭВМ, а пользователю – управлять работой машины. Сервисные программы дополняют функции операционных систем. С их помощью производятся такие работы, как диагностирование и тестирование аппаратуры ЭВМ, настройка устройств ЭВМ на максимальную производительность, подготовка к работе магнитных носителей информации, перенос информации с одного носителя на другой, засекречивание и рассекречивание конфиденциальной информации, обеспечение связи с вычислительной сетью, борьба с компьютерными вирусами и многие другие.
С помощью систем программирования создаются все программы. Система программирования – это совокупность языка программирования и программных средств, предназначенных для создания программ для ЭВМ. В состав системы программирования входят транслятор, редакторы связей (компоновщик), библиотеки стандартных подпрограмм, программа-отладчик, справочные и обучающие подсистемы, текстовый редактор и другие компоненты, помогающие программисту в разработке программ.
Прикладные программы обращены к пользователям, которые не обязаны уметь программировать или даже знать устройство ЭВМ. Цель прикладных программ заключается в том, чтобы с помощью ЭВМ решать свои профессиональные задачи, обучаться чему-либо, проводить свой досуг, играя в компьютерные игры.
Многие прикладные программы имеют общий характер, как, например, редакторы текстовой и графической информации, системы управления базами данных (СУБД). Другие прикладные программы ориентированы на автоматизацию конкретных видов деятельности: это, например, обучающие системы, системы проектирования изделий и технологий, бухгалтерские системы и другие.
Операционные системы ЭВМ обеспечивают выполнение двух главных задач: 1) управление вычислительными процессами, происходящими внутри ЭВМ и 2) предоставление пользователю средств общего управления ЭВМ.
В рамках первой задачи операционная система осуществляет взаимодействие всех программ с устройствами ЭВМ и друг с другом, распределение ресурсов ЭВМ (процессора, памяти, периферийных устройств) между программами, выявление различных событий, возникающих в процессе работы машины, и соответствующей реакции на них. Общее управление ЭВМ осуществляется на основе командного языка.
Операционные системы для микроЭВМ и ПЭВМ содержат следующие основные программные компоненты:
- файловую подсистему;
- драйверы периферийных устройств; -процессор командного языка.
Файловая подсистема и драйверы периферийных устройств в совокупности образуют ядро операционной системы. В ядро входят также программы управления вычислительными процессами и оперативной памятью.
Файловая подсистема – это хранилище программ и данных, организованное чаще всего на магнитных и оптических дисках. Файл (file – папка для бумаг) – это поименованная совокупность данных, располагающаяся во внешней памяти ЭВМ и имеющая определенную внутреннюю структуру. Сведения о каждом файле, расположенном на магнитном или оптическом диске, сосредоточиваются в каталоге. Каталог доступен пользователю через командный язык операционной системы: его можно просматривать, добавлять в него новые файлы и удалять из него ненужные файлы. Каталог может иметь собственное имя и храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами; так образуются иерархические (древовидные) файловые структуры.
Любая прикладная программа также имеет доступ к файловой подсистеме, для чего во всех языках программирования предусмотрены специальные процедуры. Файловая подсистема является достаточно крупной составной частью операционных систем ЭВМ.
Поддержка широкого набора периферийных устройств ЭВМ – одна из важнейших функций операционной системы. Осуществляется эта функция с помощью драйверов (driver – водитель, шофер) – специальных программ, ориентированных на управление периферийными устройствами. Каждому типу устройства соответствует свой драйвер. Драйверы стандартных устройств ПЭВМ – монитора (дисплея), клавиатуры, дисковых накопителей, печатающего устройства, коммуникационных портов – образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода (BIOS, БСВВ). В IBM-совместимых ПЭВМ программы БСВВ заносятся в ПЗУ системной платы. Драйверы дополнительных устройств подключаются к операционной системе динамически при запуске ПЭВМ. Кроме этого, при запуске машины специальные программы БСВВ производят тестирование всех устройств ПЭВМ, и если тестирование завершается успешно, происходит запуск операционной системы.
Во всякой операционной системе имеется командный язык, который позволяет выполнять управляющие действия: манипулировать магнитными дисками, каталогами и файлами, устанавливать режимы работы ЭВМ, получать информацию о текущем состоянии машины. Обозначение команды отражает, как правило, ее функциональное назначение: например, команда COPY означает копирование файла с одного носителя на другой; DIR – просмотр каталога магнитного диска; DATE и TIME – установку текущей даты и времени на часах компьютера; FORMAT – подготовку к работе магнитного диска.
Анализ и исполнение команд, включая загрузку готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляются специальной программой – командным процессором.
Кроме ввода отдельных команд, которые немедленно выполняются, командный процессор предоставляет возможность составления целых программ, составленных из директив командного языка. Такая программа позволяет задать сложную последовательность управляющих действий, не прибегая к обычному языку программирования.
Однако пользователи, работающие с ПЭВМ, редко пользуются непосредственно командным языком. Они используют так называемые программы-оболочки, или программы-проводники, упрощающие задание общеупотребительных управляющих действий и предоставляющие ряд дополнительных услуг. Программы-оболочки обычно обеспечивают работу с файлами и каталогами, просмотр и редактирование файлов, запуск на выполнение программ, выдачу информационных сообщений о состоянии устройств компьютера, создание пользовательских меню для упрощения запуска часто используемых программ.
Наибольшее распространение на IBM-совместимых ПЭВМ получили операционные системы фирмы Microsoft MS-DOS и Windows, а также операционные системы фирмы IBM PC-DOS и OS/2. Наиболее популярной операционной оболочкой для ПЭВМ являются Norton Commander (авторы – Питер Нортон и Джон Соча) и ее многочисленные клоны.
Современная технология программирования строится на том, что программа решения некоторой задачи на ЭВМ описывается на языке, достаточно близком к естественной формулировке задачи и алгоритма ее решения. Но процессор ЭВМ непосредственно может исполнить только последовательность машинных команд. Структура машинной команды обычно содержит две части: код операции и адресную часть, указывающую на адреса ячеек памяти, в которых хранятся значения операндов, с которыми надо выполнить заданную арифметическую или логическую операцию. операндов Каждая конкретная команда может иметь различное количество операндов либо не иметь ни одного. Коды операций и адреса операндов представляются в виде чисел, записанных в какой-либо системе счисления, чаще в всего в шестнадцатеричной. Совокупность кодов операций процессора конкретной ЭВМ образует ее машинный язык.
Например, для микропроцессоров семейства 80x86, на основе которых построены все IBM-совместимые ПЭВМ, двоичный и шестнадцатеричный коды операции сложения содержимого регистров AX и BX на машинном языке имеют вид
00000011110000112 или 030С16 ,
а коды операции вычитания из содержимого регистра AX содержимого регистра BX – вид
00101011110000112 или 2BC316 .
Все многообразие команд процессоров ЭВМ по своему функциональному назначению можно разделить на пять групп:
• пересылки информации между ячейками основной памяти и
регистрами процессора;
• арифметические операции (сложения, вычитания, умножения, деления и другие);
• логические операции (сравнение операндов и аналогичные); ветвления алгоритма (условного и безусловного переходов); специальные (останов процессора, сигнал прерывания и другие).
Программирование в машинных кодах является трудоемким процессом, характерным для начального этапа развития ЭВМ. В настоящее время такие программы составляются редко и преимущественно для специальных управляющих ЭВМ.
В процессе развития вычислительной техники стала очевидной возможность автоматизации получения программ. Основная идея автоматизации программирования состоит в разработке специальных искусственных языков, предназначенных для удобного и точного описания алгоритмов для ЭВМ. Но в отличие от естественных языки программирования должны быть строгими, позволяющими однозначно преобразовывать написанную на нем программу в программу на машинном языке. Автоматическое преобразование текста программы, написанной на языке программирования, в эквивалентный ему по смыслу текст на машинном языке, называется трансляцией. Программа, осуществляющая трансляцию, получила название транслятора.
В настоящее время существует и в той или иной степени используется несколько десятков языков программирования, предназначенных как для решения практически любых задач обработки информации (универсальные языки программирования), так и для решения какого-то узкого класса задач (специализированные языки программирования).
С другой стороны, все многообразие языков программирования фактически сводится к двум большим классам: машинно-ориентированных языков (низкого уровня) и машинно-независимых языков (высокого уровня).