Прикладной уровень программного обеспечения

Прикладное программное обеспечение используется для решения конкретных задач из какой-либо предметной области. В связи с тем, что сегодня компьютеры применяют во всех областях деятельности человека, то и количество задач, решаемых с помощью прикладного программного обеспечения, велико. Следует отметить, что программное обеспечение этого уровня наиболее популярно и широко распространено среди пользователей компьютеров. В своей работе прикладное программное обеспечение опирается на системные программы, причем, чем более совершенна операционная система, тем больше функциональных возможностей имеется у прикладных программ.

Текстовые процессоры служат не только для создания и редактирования текстовых данных, но и для форматирования и преобразования текстовой ин-

формации. Текстовый процессор должен обеспечивать взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов, составляющих документ. К дополнительным функциям текстовых процессоров относят средства автоматической проверки орфографии, автоматического форматирования и рецензирования документов.

Электронные таблицы нацелены на преобразование больших массивов данных различных видов в соответствии с их структурой. Электронные таблицы предоставляют большое количество методов для обработки данных различных типов и поддерживают автоматическое изменение содержимого ячеек при вычислениях.

Графические редакторы предназначены для создания и обработки графических изображений. Графические редакторы разделяются на программы для обработки растровых и векторных изображений.

Электронные презентации необходимы для создания проектов, слайды которых поддерживают вставку текста, графической информации, видеофильмов и анимации. Такие программы применяются для визуализации результатов работы пользователей.

Системы управления базами данных предназначаются для создания, обработки и хранения больших массивов данных. Базы данных позволяют импортировать и экспортировать данные, обеспечивают возможность доступа к данным и предоставления средств поиска и фильтрации.

Представленная классификация, конечно же, не является полной, однако

именно этот перечень прикладных программ обеспечивает качественную работу на персональном компьютере любого пользователя. Существует большое количество других узкоспециализированных программ, таких, как системы автоматизированного проектирования, браузеры, бухгалтерские системы, финансово-аналитические программы, геоинформационные системы, программы видеомонтажа и распознавания текста, математические пакеты.

Важнейшим программным обеспечением компьютера является операционная система. Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователем с одной стороны и аппаратурой компьютера с другой стороны.

К главным функциям операционной системы относятся осуществление диалога с пользователем; ввод-вывод и управление данными; распределение ресурсов компьютера; запуск программ на выполнение; всевозможные вспомогательные операции; передача информации между различными внутренними устройствами компьютера; поддержка работы периферийных устройств.

Каждая операционная система имеет свой командный язык. Для управления внешними устройствами компьютера используются драйверы, представляющие собой специальные системные программы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода.

Операционная система состоит из ядра операционной системы и вспомогательных модулей.

Программы ядра выполняют базовые функции операционной системы: управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода. Эти функции

наиболее часто используются, и скорость их выполнения определяет производительность системы в целом. Поэтому функции ядра постоянно находятся в оперативной памяти компьютера.

Вспомогательные модули операционной системы включают программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения системы, редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики, библиотеки процедур для упрощения разработки приложений.

Современная операционная система обладает несколькими характеристиками. Одной из таких характеристик является мобильность.

Под мобильностью понимают возможность переноса кода операционной системы от процессора одной модели к процессору другой модели.

Другой ключевой характеристикой операционной системы является многозадачность, представляющая собой способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре одновременно выполняются сразу несколько программ.

Многозадачность предназначена для повышения эффективности вычислительной системы: увеличение количества задач, выполняемых системой в единицу времени; повышение удобства работы пользователя в операционной системе.

Появление на рынке многопроцессорных систем сделало актуальным такую характеристику операционной системы, как мультипроцессорная обработка.

Мультипроцессорная обработка представляет собой способ обработки вычислительного процесса в системах с несколькими процессами, при котором несколько задач могут одновременно выполняться на разных процессорах.

В операционных системах также используется многопотоковая обработка данных. Поток рассматривается как последовательный переход процессора от одной команды к другой, а операционная система в этом случае распределяет между потоками время и ресурсы компьютера.

В многозадачной системе поток может находиться в одном из трех основных состояний: выполнение – состояние, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и выполняется процессором; ожидание – состояние, при котором поток заблокирован по внутренним причинам; готовность – состояние, во время которого поток заблокирован по внешним причинам.

Переход между потоками организуется с помощью механизма прерываний. Прерывание переводит процессор на выполнение потока команд, отличного от того, который выполнялся до сих пор, с последующим возвратом к исходному потоку. Прерывание происходит в произвольной точке потока команд, которую нельзя спрогнозировать заранее.

Прерывания делятся на три класса: внешние – возникают в результате

действий пользователя или поступления сигналов от устройств; внутренние –

происходят при появлении аварийной ситуации в ходе исполнения некоторой

инструкции; программные – возникают при выполнении особой команды процессора, которая имитирует прерывание.

Операционная система предоставляет пользователю упрощенную модель для работы с данными. Как правило, пользователь персонального компьютера не вникает в процессы создания, обработки или удаления данных, эти функции ложатся на операционную систему, которая, в свою очередь, перекладывает эти обязанности на файловую систему.

Файловая система отвечает за организацию хранения и доступа к данным на каких-либо носителях. Пользователь получает доступ к данным, не обращаясь к конкретным областям жесткого диска, он работает с другим укрупненным объектом хранения данных – файлом.

Файлом называют последовательность произвольного числа байтов, которая обладает уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Для операционной системы имя файла не имеет никакого значения, а важно, к какой области диска происходит обращение. Современные файловые системы поддерживают очень длинные имена, состоящие не только из буквенных символов, но знаков и цифр.

Все файлы в операционной системе расположены в каталогах. Различают два вида каталогов в файловой системе. С одной стороны, каталог представляет собой файл, содержащий системную информацию о группе составляющих его файлов, такой каталог называют корневым. С другой стороны, каталог представляет собой группу файлов, объединенных пользователем по каким-либо личным соображениям. Каталог может содержать в себе каталоги более низкого уровня, таким образом, создаются уровни иерархии каталогов, а сама файловая система имеет иерархическую структуру.

Файловая система включает в себя совокупность всех файлов на диске.

Также в состав файловой системы входят наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами, например, каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске. Комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности операции по созданию, уничтожению, чтению, записи, именованию файлов, установке атрибутов и уровней доступа, поиску, тоже является частью файловой системы.

В современных операционных системах возможна работа сразу с несколькими файловыми системами.

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана фирмой Microsoft в 1977 году.

В блоке параметров BIOS содержится необходимая информация о физических характеристиках жесткого диска.

Данная файловая система не может контролировать отдельно каждый сектор, поэтому она объединяет смежные сектора в кластеры. Это позволяет уменьшить общее количество единиц, обслуживаемых файловой системой.

Размер кластера в FAT определяется при форматировании диска. Кластер представляет собой минимальное пространство, которое может занимать файл на диске. Это приводит к тому, что часть пространства диска расходуется впустую. В состав операционной системы должны входить различные утилиты, предназначенные для уплотнения данных на диске.

Ключевым понятием FAT является таблица размещения файлов. В этой таблице хранится информация о кластерах логического диска. Каждому кластеру в FAT соответствует отдельная запись, которая показывает статус кластера: свободен, занят данными файла или помечен как сбойный. Если кластер занят под файл, то в соответствующей записи в таблице размещения файлов указывается адрес кластера, содержащего следующую часть файла. Из-за этого FAT называют файловой системой со связанными списками.

Каждому файлу и подкаталогу в FAT соответствует элемент, содержащий имя файла, его атрибуты, например, архивный, скрытый, системный и «только для чтения», дату и время создания или внесения в него последних изменений, а также прочую информацию.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. Если необходимо создать новый файл или дополнить уже существующий, то файловая система ищет на диске первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если в процессе работы одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры, содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл оказывается фрагментированным. Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы, так как головки чтения-записи жесткого диска при поиске очередной записи файла должны будут перемещаться от одной области диска к другой. В состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные утилиты дефрагментации диска, предназначенные повысить производительность файловых операций.

Производительность FAT сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге. Если в каталоге содержится большое количество файлов, то выполнение операции считывания списка файлов может занять значительное время. Это связано с тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше в каталоге записей, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется просмотреть последовательно все записи в каталоге.

Длина элементов FAT составляет 12, 16 или 32 байта. Разрядность FAT будет зависеть от емкости диска и размера кластера. FAT32 может использоваться с дисками значительно большей емкости, так как в ней обеспечивается меньшее отношение размера кластера к размеру раздела. Чем меньше размер кластера, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск реже становится фрагментированным.

Хранение информации о файлах в таблице размещения файлов осуществляется следующим образом.

Например, файл требует для размещения два кластера. Операционная система может отметить каждый из двух элементов как занятый кластер, но при этом она не узнает, какой кластер первый, а какой второй. Трудно также определить, какому файлу принадлежат эти два кластера. Следовательно, простой отметки занятых кластеров недостаточно.

Предположим, что когда первый кластер выделяется файлу, можно сохранить номер кластера вне FAT. Тогда при увеличении файла и выделении ему второго кластера можно использовать элемент FAT для первого кластера, чтобы отметить, какой кластер выделен в качестве второго. Когда файл вновь увеличивается, требуя новый кластер, можно найти в FAT свободный кластер и поместить его номер в предыдущий элемент FAT. Этот процесс можно продолжать до исчерпания свободных кластеров. Последний распределенный файлу кластер должен иметь специальное значение, показывающее, что после него нет кластеров. Такое значение должно представлять собой конец файла. Таким образом, каждый кластер указывает на следующий кластер, занятый файлом, образуя цепь кластеров. Элемент, занятый файлом, содержит значение, указывающее на следующий кластер; элемент последнего кластера содержит индикатор конца файла. Теперь для нахождения всех кластеров файла нужно знать только номер первого кластера файла. Этот номер хранится в соответствующих данных корневого каталога.

Файловая система FAT32 является усовершенствованной версией файловой системы FAT, поддерживающая жесткие диски объемом до 2 терабайт. В данный момент FAT32 поддерживается операционными системами Windows.

Файловая система NTFS (New Technology File System) разрабатывалась специально для операционной системы Windows NT, в ней значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя операционной системы или оборудования, так что диск остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Наименьшей единицей работы файловой системы NTFS, так же, как и в FAT, является кластер, но в отличие от FAT файловая система NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров, стандартом считается кластер размером 4 Кбайт.

Диск в файловой системе NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под главную файловую таблицу MFT (Master File Table), представляющую собой пространство, в котором хранятся метафайлы главной файловой таблицы. Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT всегда держится пустой, это делается для того, чтобы главный служебный файл не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска включает в себя все свободное пространство, при этом учитывается и свободное место в главной файловой таблице. MFT используется следующим образом: если основного пространства для записи файлов недостаточно, то MFT сокращается, таким образом, освобождается место для записи файлов. Если место в основной области для хранения файлов освобождается, то MFT вновь расширяется.

Особенность файловой системы NTFS заключается в том, что каждый элемент системы представляет собой файл. В виде файла представлена также и служебная информация. Все существующие файлы в NTFS представлены записью в главной файловой таблице MFT. Первые 16 записей таблицы, что составляет около одного мегабайта дискового пространства, выделены для описания самой главной файловой таблицы. Далее размещается зеркальная копия MFT. Это необходимо в том случае, если первая запись MFT разрушена. Затем NTFS считывает вторую запись. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются файлами и каталогами.

Устройства самого файла в NTFS также имеет некоторые особенности.

Вся информация в файле представлена в форме потоков. Первый поток служит для хранения непосредственно данных файла, остальные потоки файла содержат его атрибуты. Такая структура файла позволяет свободно прикрепить к файлу дополнительную информацию, например, имя автора файла или его содержание.

Корневой каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги. Данные на диске имеют иерархическую структуру. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Бинарное дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом – с помощью получения двухзначных ответов на вопросы о положении файла. Вопрос, на который бинарное дерево способно дать ответ, таков: в какой группе, относительно данного элемента, находится искомое имя – выше или ниже? Файловая система обращается с таким вопросом к среднему элементу, и каждый ответ сужает зону поиска в среднем в два раза. Область поиска, суженная в два раза, начинает исследоваться аналогичным образом, начиная опять же со среднего элемента. Это позволяет ускорить процесс поиска файла в несколько раз.

Одним из преимуществ файловой системы NTFS является наличие журнала транзакций. В журнале транзакций регистрируются все операции, влияющие на структуру дискового пространства, включая создание файла и

прочие команды, изменяющие структуру каталогов. Журнал транзакций при-

меняется для восстановления NTFS после сбоя системы. NTFS является восстанавливаемой файловой системой, для этого используется модель обработки транзакций. Смысл такой обработки заключается в том, что каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл в системе NTFS, рассматривается системой как транзакция и может выполняться как неделимый блок. При модификации файла пользователем сервис регистрации фиксирует всю информацию, необходимую для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат транзакции. Такой механизм защиты файловой системы является устойчивым к различным экстремальным ситуациям, например, запись информации на поврежденный участок диска или отключение питания в момент записи файла.

NTFS позволяет хранить файлы размером до 16 эксабайт. Все файлы хранятся на диске в сжатом виде, средство сжатия файлов встроено в файловую систему. Процесс сжатия и распаковки файлов происходит в реальном режиме времени. Сжатие является атрибутом файла и по желанию пользователя может быть снято с файла или каталога. При уплотнении файла применяется пофайловое уплотнение, таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах. Сжатие файлов имеет очень высокую скорость, поэтому пользователь его не замечает. Недостатком такой организации хранения информации является огромная виртуальная фрагментация сжатых файлов.

При физическом соединении двух или более компьютеров образуется компьютерная сеть. Для создания компьютерных сетей необходимо специальное аппаратное обеспечение (сетевое оборудование) и специальное программное обеспечение (сетевые программные средства).

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: