Программное обеспечение компьютера

Вопросы лекции:
Понятие и классификация программного обеспечения компьютера
Системные программные средства
Пакеты прикладных программ
Системы программирования, языки программирования

Вся совокупность программ, хранящихся на всех устройствах долговременной памяти компьютера, составляет его программное обеспечение (ПО).

Прикладное ПО – программы, с помощью которых пользователь решает свои информационные задачи. К ним относятся текстовые и графические редакторы, табличные процессоры, СУБД, сетевые программы и т.д.
Системы программирования (СП) – инструмент для создания программ. Всякая СП ориентирована на один из языков программирования: ПАСКАЛЬ, БЭЙСИК, ФОРТРАН, СИ, АССЕМБЛЕР и др.
Под программным обеспечением (ПО) будем понимать совокупность программных средств для ЭВМ и их систем любого класса и типа, обеспечивающих функционирование, диагностику и тестирование их аппаратных средств, а также разработку, отладку и выполнение любых задач пользователя с соответствующим документированием, где в качестве пользователя может выступать как человек, так и любое внешнее устройство, подключенное к ЭВМ и нуждающееся в ее вычислительных ресурсах. Таким образом, ПО служит интерфейсом между аппаратными ресурсами ЭВМ и проблемной средой.

Системное ПО (СПО) управляет всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой, в частности с пользователем. СПО включает в себя операционные системы (ОС), операционные оболочки (О.о.), средства расширения функций ОС и средства тестирования и диагностики ЭВМ.
Кроме ОС к системному ПО относятся множество программ обслуживающего характера: программы обслуживания дисков (копирование, форматирование и т.д.), сжатия файлов (архиваторы), антивирусные программы и др.
Прикладное ПО (ППО) составляют пакеты прикладных программ (ППП), предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей, сюда же относится все разработанное многочисленными пользователями ПО. ППП создаются для решения наиболее массовых задач научно-технических, инженерных, экономических и других классов задач; суть большинства ППП состоит в максимальном упрощении интерфейса с ЭВМ проблемного пользователя. Именно на пользователей различного уровня компьютерной образованности и ориентированы многочисленные ППП, которые можно условно классифицировать по четырем основным группам :
ППП общего назначения;
проблемно- ориентированные ППП;
расширяющие функции ОС ППП;
интегрированные ППП.

ППП общего назначения ориентированы на широкий круг пользователей в различных проблемных областях, позволяя автоматизировать наиболее часто используемые функции и работы.
К пакетам такого типа относятся :
текстовые процессоры - Ms Word, WordPerfect, ChiWriter, Лексикон
электронные таблицы - Ms Excel, SuperCalc ;
системы управления базами данных (СУБД) – Access, dBase, FoxPro, FoxBase, Clipper;
телекоммуникационные - BBS, Novell Netware и др.
Проблемно- ориентированные ППП имеют достаточно узкое применение, используя особые методы представления и обработки информации, учитывающие специфику поддерживаемых задач пользователя. Из пакетов данной группы можно отметить :
графические - PaintBrush, CorelDraw ;
математические - MathCad, Mathematica;
статистические - StatGraf, Statistica ;
экспертные системы - Guru;
издательские системы - Page Maker, Ventura Publisher, Adobe Illustrator;
разработки систем управления (CACE -группа);
проектирования систем управления (CACSD -группа);
проектирования и изготовления чертежей (CAD -группа) - PCAD, OrCAD, AutoCAD ;
планирования (CAP -группа).

Расширяющие функции ОС ППП составляют пакеты,
обеспечивающие сопряжение ЭВМ с научными приборами и установками;
обеспечивающие подключение к ЭВМ дополнительных внешних устройств, поддержку работы ЭВМ в локальных сетях и машинных комплексах;
для расширения функций внешних устройств ЭВМ (монитора, клавиатуры, мыши и др.).
Интегрированные ППП объединяют основные функции ряда пакетов, как правило, общего назначения. В таких пакетах используются не только единый формат файлов, но и методы доступа к файлам отдельных пакетов, т.е. обеспечивается полная информационная совместимость составляющих совокупность пакетов. Типичным средством данного класса является известный пакет Ms Office , включающий текстовый процессор Ms Word, табличный процессор Ms Excel , графическое средство Power Point, СУБД MS Access и др.

Основное назначение программных продуктов мультимедиа - создание и использование аудио- и видеоинформации для расширения информационного пространства пользователя. Класс продуктов мультимедиа нашел свое приложение в сфере библиотечного информационного обслуживания, процессе обучения, организации досуга. Базы данных компьютерных изображений произведений искусств, библиотеки звуковых записей составляют основу прикладных обучающих систем, компьютерных игр, библиотечных каталогов и фондов.

Главной частью системного программного обеспечения является операционная система (ОС).
Операционная система – это набор программ, управляющих оперативной памятью, процессором, внешними устройствами и файлами, ведущих диалог с пользователем (примеры: MS-DOS, WINDOWS). Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам. ОС является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.
С одной стороны, ОС опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода); с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней — прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

В графических операционных системах принцип управления приложениями состоит во взаимодействии активных и пассивных элементов управления. Активный элемент управления — указатель мыши (его предоставляет операционная система). Пассивные элементы управления — графические кнопки, поля, флажки, переключатели, меню, списки и прочие. Их предоставляют конкретные приложения. В момент взаимодействия активного и пассивного элементов управления пользователь выдает управляющие сигналы с помощью органов у правления графического манипулятора.
В неграфических операционных системах управление приложениями ограниченно и осуществляется путем ручного ввода текстовых команд в поле командной строки. Органом управления в данном случае является клавиатура.
Основная функция всех операционных систем — посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:
интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);
интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);
интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Основные достоинства персональной вычислительной техники проявляются в диалоговом режиме работы с пользователем. Диалоговый режим отличается от пакетного тем, что в ходе работы процессор регулярно приостанавливает выполнение текущих задач и обращается к другим устройствам и к программам, проверяя их состояние. Если пользователь использует какое-либо средство управления или извне поступает управляющий сигнал, процессор устанавливает этот факт и реагирует на него переходом на исполнение другой программы. Несмотря на то, что в любой момент времени процессор работает по жестко заданным программам, динамичное переключение между ними создает впечатление гибкого управления работой компьютера.

Организацией работы процессора в диалоговом режиме ведает относительно небольшая группа системных программ. Она образует ядро операционной системы.
Дополнительно к ядру операционная система обладает средствами для:
управления пользовательским интерфейсом компьютера;
управления аппаратно-программными интерфейсами компьютера;
обслуживания файловой системы;
управления распределением оперативной памяти между процессами;
установки программ и управления их работой;
обеспечения надежности и устойчивости работы оборудования и программ.
Чем шире функциональные возможности операционной системы, тем большие требования она предъявляет к техническим ресурсам компьютерной системы, но тем проще работа с компьютером с точки зрения пользователя.

Кроме всего вышеперечисленного, современные операционные системы могут включать минимальный набор прикладного программного обеспечения, которое можно использовать для исполнения простейших практических задач:
чтение, редактирование и печать текстовых документов;
создание и редактирование простейших рисунков;
выполнение арифметических и математических расчетов;
ведение дневников и служебных блокнотов;
создание, передача и прием сообщений электронной почты;
создание и редактирование факсимильных сообщений;
воспроизведение и редактирование звукозаписи;
воспроизведение видеозаписи;
разработка и воспроизведение комплексных электронных документов, включающих текст, графику, звукозапись и видеозапись.
Этим возможности операционных систем не исчерпываются. По мере развития аппаратных средств вычислительной техники и средств связи функции операционных систем непрерывно расширяются, а средства их исполнения совершенствуются.

Программа — это логически упорядоченная последовательность команд, необходимых для управления компьютером (выполнения им конкретных операций), поэтому программирование сводится к созданию последовательности команд, необходимой для решения определенной задачи.
Программа, с которой работает процессор, представляет собой последовательность чисел, называемую машинным кодом.
Управлять компьютером нужно по определенному алгоритму. Алгоритм — это точно определенное описание способа решения задачи в виде конечной (по времени) последовательности действий. Такое описание еще называется формальным. Для представления алгоритма в виде, понятном компьютеру, служат языки программирования. Сначала всегда разрабатывается алгоритм действий, а потом он записывается на одном из таких языков. В итоге получается текст программы — полное, законченное и детальное описание алгоритма на языке программирования. Затем этот текст программы специальными служебными приложениями, которые называются трансляторами, либо переводится в машинный код, либо исполняется.

Сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования. Теоретически программу можно написать и средствами обычного человеческого (естественного) языка — это называется программированием на метаязыке (подобный подход обычно используется на этапе составления алгоритма), но автоматически перевести такую программу в машинный код пока невозможно из-за высокой неоднозначности естественного языка.
Языки программирования — искусственные языки. От естественных они отличаются ограниченным числом «слов», значение которых понятно транслятору, и очень строгими правилами записи команд (операторов). Совокупность подобных требований образует синтаксис языка программирования, а смысл каждой команды и других конструкций языка — его семантику. Нарушение формы записи программы приводит к тому, что транслятор не может понять назначение оператора и выдает сообщение о синтаксической ошибке, а правильно написанное, но не отвечающее алгоритму использование команд языка приводит к семантическим ошибкам (называемым еще логическими ошибками или ошибками времени выполнения).
Процесс поиска ошибок в программе называется тестированием, процесс устранения ошибок — отладкой.

С помощью языка программирования создается не готовая программа, а только ее текст, описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст либо автоматически перевести в машинный код (для этого служат программы-компиляторы) и затем использовать отдельно от исходного текста, либо сразу выполнять команды языка, указанные в тексте программы (этим занимаются программы-интерпретаторы).
Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.
Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждой модели процессора отличаются, конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде.

Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.
Языки программирования баз данных отличается от алгоритмических языков прежде всего решаемыми задачами.
База данных — это файл (или группа файлов), представляющий собой упорядоченный набор записей, имеющих единообразную структуру и организованных по единому шаблону (как правило, в табличном виде). База данных может состоять из нескольких таблиц. Удобно хранить в базах данных различные сведения из справочников, картотек, журналов бухгалтерского учета и т. д.

При работе с базами данных чаще всего требуется выполнять следующие операции:
создание/модификация свойств/удаление таблиц в базе данных;
поиск, отбор, сортировка информации по запросам пользователей;
добавление новых записей;
модификация существующих записей;
удаление существующих записей.
Первые базы данных появились очень давно, как только появилась потребность в обработке больших массивов информации и выборки групп записей по определенным признакам. Для этого был создан структурированный язык запросов SQL (Structured Query Language). Он основан на мощной математической теории и позволяет выполнять эффективную обработку баз данных, манипулируя не отдельными записями, а группами записей.
Для управления большими базами данных и их эффективной обработки разработаны СУБД (Системы Управления Базами Данных). Практически в каждой СУБД помимо поддержки языка SQL имеется также свой уникальный язык, ориентированный на особенности этой СУБД и не переносимый на другие системы. Сегодня в мире насчитывается три ведущих производителя СУБД: Microsoft (SQL Server), IBM (DB2) и Oracle.

С появлением персональных компьютеров были созданы так называемые настольные СУБД. Родоначальником современных языков программирования баз данных для ПК принято считать СУБД dBase II, язык которой был интерпретируемым. Затем для него были созданы компиляторы, появились СУБД FoxPro и Clipper, поддерживающие диалекты этого языка. Сегодня самой распространенной настольной СУБД стала система Microsoft Access.
С активным развитием глобальной сети было создано немало реализаций популярных языков программирования, адаптированных специально для Интернета. Все они отличаются характерными особенностями: языки являются интерпретируемыми, интерпретаторы для них распространяются бесплатно, а сами программы — в исходных текстах. Такие языки называют скрипт-языками (HTML, Perl, РНР, Tcl/Tk, VRML, XML).

Для создания программы необходимы:
текстовый редактор;
компилятор;
редактор связей;
библиотеки функций.
Как правило, в стандартную поставку входят как минимум три последних компонента, но хорошая интегрированная система включает в себя и специализированный текстовый редактор, причем почти все этапы создания программы в ней автоматизированы; после того как исходный текст введен, его компиляция и сборка выполняются одним нажатием клавиши. Это очень удобно, так как не требует ручной настройки множества параметров запуска компилятора и редактора связей, указывания им нужных файлов вручную и т.д. Процесс компиляции обычно демонстрируется на экране: показывается, сколько строк исходного текста откомпилировано, или выдаются сообщения о найденных ошибках.
В современных интегрированных системах имеется еще один компонент — отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных.