4.1.2. Лекция 1. Понятие совместимости программного обеспечения. Аппаратная и программная совместимость. Совместимость драйверов.
Аппаратное обеспечение. К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульный конструктив — аппаратную конфигурацию, которую можно собирать из готовых узлов и блоков в зависимости от конкретных видов работ.
По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ, Central Processing Unit — CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.
Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые необходимо обеспечить для успешного согласования функционирования устройств.
Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, условно подразделяют на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают 1 байт (8 бит) информации за один цикл.
Параллельные интерфейсы устроены сложнее, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кб/с; Мб/с).
Последовательные интерфейсы конструктивно проще параллельных; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройств (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже, так как из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные предваряют и завершают посылками служебных данных, т. е. на 1 байт полезных данных приходятся 1—3 служебных бита (состав и структуру посылки определяет конкретный протокол).
Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на восемь, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае с поправкой на служебные данные иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер.
Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода-вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными, к примеру, в большинстве цифровых фотокамер.
Программное обеспечение. Программа — это упорядоченная последовательность команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа не взаимодействует с оборудованием, не требует ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.
Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что эти две категории рассматриваются отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь.
Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками, существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, т. е. можно говорить о так называемом межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на соблюдении определенных технических условий и протоколов взаимодействия, что на практике обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих в виде пирамиды. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех
этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ и заканчивая практической эксплуатацией и техническим обслуживанием. Следует отметить, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.
Базовый уровень — это самый низкий уровень программного обеспечения; он отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах — постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.
В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.
Системный уровень. Этот уровень — переходный; он обеспечивает взаимодействие программ базового уровня и непосредственно аппаратного обеспечения с другими программами компьютерной системы, т. е. выполняет «посреднические» функции.
От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.
Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.
Совокупность программного обеспечения системного уровня образует
ядро операционной системы компьютера. Понятие «операционная система» рассматривается далее, здесь следует отметить, что, если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. Иными словами, наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.
Служебный уровень. Необходим для обеспечения взаимодействия как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и предназначены для расширения ее функций.
В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы способны изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.
Прикладной уровень. Программное обеспечение данного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых в предметной области выполняется конкретная деятельность. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности — от производственной до творческой и развлекательно-обучающей.
Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает триединое взаимодействие: человек — программа — оборудование.
Классификация прикладных программных средств. Текстовые редакторы. Основные функции этого класса прикладных программ заключаются в вводе и редактировании текстовых данных. Дополнительные функции состоят в автоматизации процессов ввода и редактирования. Для операций ввода, вывода и сохранения данных текстовые редакторы вызывают и используют системное программное обеспечение.
С этого класса прикладных программ обычно начинают знакомство с программным обеспечением и на нем отрабатывают первичные навыки взаимодействия с компьютерной системой.
Текстовые процессоры. Отличие текстовых процессоров от текстовых редакторов состоит в том, что они позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, т. е. оформлять. Соответственно к основным средствам текстовых процессоров относятся средства обеспечения взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов, составляющих итоговый документ, а к дополнительным — средства автоматизации процесса форматирования.
Современный стиль работы с документами подразумевает два альтернативных подхода — работу с бумажными документами и работу с электронными документами (по безбумажной технологии), поэтому, говоря о форматировании документов средствами текстовых процессоров, надо иметь в виду два принципиально разных направления — форматирование документов, предназначенных для печати, и форматирование электронных документов, предназначенных для отображения на экране. Приемы и методы в этих случаях существенно различаются; соответственно различаются и текстовые процессоры, хотя многие из них успешно сочетают оба подхода.
Графические редакторы — широкий класс программ, предназначенных для создания и (или) обработки графических изображений. В данном классе различают следующие категории: растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (3D-редакторы).
Растровые редакторы применяют в тех случаях, когда графический объект представлен в виде комбинации точек, образующих растр и обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен в тех случаях, когда графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. Растровые редакторы широко применяются для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и художественных композиций (коллажей).