Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

(ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н.Ульянова»)

Технология разработки программного обеспечения

Учебное пособие

В.Н. Пичугин, Р.В. Фёдоров

Е.С. Мигунова, М.П. Немкова

Чебоксары 2013

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Михеев Г.М, кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева

Пичугин В.Н.

Технология разработки программмного обеспечения: учеб. пособие / В.Н. Пичугин, Р.В. Фёдоров, Е.С. Мигунова, М.П. Немкова. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2013 - 244 с.

Пособие освещает широкий спектр вопросов в сфере разработки программных продуктов. Рассматриваются основные понятия и определения, классификация программ, этапы создания программного продукта в рамках жизненного цикла, освещается современное состояние технологий программирования. Приводятся особенности отладки, тестирования, сопровождения программ, а также подробное изложение методов экстремального программирования. Теоретический материал сопровождается практикумом в виде лабораторных работ по изложенной тематике.

Для студентов-бакалавров по направлению подготовки 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», а также для специалистов, проявивших интерес к современному состоянию программирования.

Ответственный редактор кандидат техн. наук, профессор Е.Г. Егоров

Утверждено Методическим советом университета

ISBN В.Н.Пичугин, Р.В.Фёдоров,

Е.С.Мигунова, М.П.Немкова, 2013

Оглавление

Предисловие (или от составителей)

Теоретический курс

1. Программное обеспечение

2. Разработка программного обеспечения

3. Проектирование программ

4. Модульное программирование

5. Тестирование и сопровождение программ

Лабораторный практикум

Лабораторная работа 1 Техническое задание на проектирование программы

Лабораторная работа 2 Стадия разработки программного обеспечения «Эскизный проект»

Лабораторная работа 3 Стадия разработки программного обеспечения «Технический проект»

Лабораторная работа 4 Использование объектно-ориентированного программирования (ООП) для создания качественного программного обеспечения

Лабораторная работа 5 Использование визуальных компонент для создания качественных программ

Лабораторная работа 6 Средства отладки программ в объектно-ориентированном программировании

Лабораторная работа 7 Использование стиля программирования

Лабораторная работа 8 Методы оптимальной обработки текстовой информации

Лабораторная работа 9 Оптимальное построение структур данных

Лабораторная работа 10 Структурное программирование с использованием процедур и функций

Лабораторная работа 11 Программирование с использованием средств графической информации

Лабораторная работа 12 Использование OLE- и COM-технологий программирования

Тестовые вопросы

Задания для курсового проектирования

Список рекомендуемой литературы

Предисловие (или от составителей)

программирование программа отладка продукт

Данное учебное пособие посвящено изучению разных технологий для разработки программного обеспечения.

Цель - ознакомление обучающихся с основными вопросами проектирования и разработки информационных систем. Объектами изучения являются: технологии проектирования, модели и методы поддержки жизненного цикла программного обеспечения; средства и методы создания и реализации проектов.

Задачи: дать бакалавру возможность получить знания о технологиях функционального и объектно-ориентированного проектирования; освоить навыки создание программного обеспечения с использование баз данных; подготовка студентов к изучению других дисциплин по информационным технологиям.

Дисциплина «Технология разработки программного обеспечения» входит в раздел Б.3. «Профессиональный цикл. Базовая часть» ФГОС ВПО по направлению подготовки 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем». Процесс изучения направлен на формирование следующих компетенций:

ОК-2 - работа в команде,

ПК-1 - определение общих форм, закономерностей, инструментальных средств для данной дисциплины,

ПК-4 - умение строго доказать математическое утверждение,

ПК-5 - умение на основе анализа увидеть и корректно сформулировать математически точный результат,

ПК-7 - умение грамотно пользоваться языком предметной области,

ПК- 9 - знание корректных постановок классических задач,

ПК-10 - понимание корректности постановок задач,

ПК-14 - контекстную обработку информации,

ПК-16 - выделение главных смысловых аспектов в доказательствах,

ПК-20 - знание проблемы современной информатики, ее категории и связи с другими научными дисциплинами,

ПК-25 - знание направления развития компьютеров с традиционной (нетрадиционной) архитектурой; тенденции развития функций и архитектур проблемно-ориентированных программных систем и комплексов,

ПК-27 - знание основных концептуальных положений функционального, логического, объектно-ориентированного и визуального направлений программирования, методов, способов и средств разработки программ в рамках этих направлений,

ПК-28 - знание методов проектирования и производства программного продукта, принципы построения, структуры и приемы работы с инструментальными средствами, поддерживающими создание программного обеспечения ПО,

ПК-31 - навыки использования современных системных программных средств: операционных систем, операционных и сетевых оболочек, сервисных программ,

ПК-34 - навыки использования основных моделей информационных технологий и способов их применения для решения задач в предметных областях.

Пособие состоит из двух частей. Первая часть посвящена краткому изложению теории, которая поможет студентам более компактно представить курс лекций по изучаемой дисциплине. Вторая часть содержит лабораторные работы по курсу.

В представленном учебном пособии достаточно полно изложены понятия жизненного цикла программного обеспечения, процесс его производства: методы, технология и инструментальные средства, тестирование и отладка.

Основное отличие данного пособия от аналогичных изданий заключается в освещении основных дидактических единиц дисциплины «Технология разработки программного обеспечения» с учетом подготовки потенциального читателя - студента-бакалавра высшего учебного заведения. Именно поэтому только на базе основных понятий и определений в области разработки программных средств возможно освещение проблем документирования, проектирования программного обеспечения, технологического цикла разработки программных систем. Весьма интересными и своевременными для будущих специалистов современного глобального общества являются разделы об организации коллективной работы по созданию программ и организации процесса разработки с применением инструментальных средств поддержки.

Материал пособия прошел апробацию в Алатырском филиале ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н.Ульянова» и используется в учебном процессе.

Авторский коллектив издания составили преподаватели кафедры высшей математики и информационных технологий Алатырского филиала ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н.Ульянова», канд. техн. наук, доц. В. Н. Пичугин (глава 1-3, тестовые задания), канд. экон. наук Р. В. Фёдоров (главы 4-5, задания для курсового проектирования), Е. С. Мигунова (лабораторный практикум, работы 1-7), М. П. Немкова (лабораторный практикум, работы 8-12).

Авторы благодарны своим рецензентам Ю.К. Евдокимову, доктору техн. наук, профессору, заведующему кафедрой радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Казанского национального исследовательского технического университетата им. А.Н. Туполева и Г.М. Михееву, доктору техн. наук, профессору кафедры электроснабжения промышленных предприятий ЧПИ (филиала) ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина». Своими вопросами и замечаниями они помогли исправить шероховатости изложения материала и способствовали совершенствованию методики подачи материала.

Авторы будут признательны за любые замечания, предложения, пожелания, направляемые по адресу:

429820, Чувашия, г. Алатырь, ул. Московская, д. 30,

тел.: 8 (3531) 2-04-36, 2-20-75,

e-mail: vladimir_iii@mail.ru.

От всей души желаем Вам успехов в обучении!

Краткий теоретический курс

1. Программное обеспечение

Основные понятия

Программа (program, routine) - упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи.

Программное обеспечение (ПО) (software) - совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов.

Задача (problem, task) - проблема, подлежащая решению.

Приложение (application) - программная реализация решения задачи на компьютере.

Термин задача в программировании означает единицу работы вычислительной системы, требующую выделения вычислительных ресурсов (процессорного времени, памяти).

Процесс создания программ можно представить как последовательность следующих действий:

постановка задачи;

алгоритмизация решения задачи;

программирование.

Постановка задачи (problem definition) - это точная формулировка решения задачи на компьютере с описанием входной и выходной информации.

Алгоритм - система точно сформулированных правил, определяющая процесс преобразования допустимых исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходную информацию) за конечное число шагов.

Программирование (programming) - теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ.

По отношению к ПО компьютерные пользователи делятся на следующие группы:

Системные программисты - занимаются разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения.

Прикладные программисты - осуществляют разработку и отладку программ для решения прикладных задач.

Конечные пользователи - имеют элементарные навыки работы с компьютером и используемыми ими прикладными программами.

Администраторы сети - отвечают за работу вычислительных сетей.

Администраторы баз данных - обеспечивают организационную поддержку базы данных.

Сопровождение программы - поддержка работоспособности программы, переход на ее новые версии, внесение изменений, исправление ошибок и т.д.

Основные характеристики программ:

алгоритмическая сложность;

состав функций обработки информации;

объем файлов, используемых программой;

требования к операционной системе (ОС) и техническим средствам обработки, в том числе объем дисковой памяти, размер оперативной памяти для запуска программы, тип процессора, версия ОС, наличие вычислительной сети и т.д.

К показателям качества программы относятся:

1) мобильность (многоплатформенность) - независимость от технического комплекса системы обработки данных, ОС, сетевых возможностей, специфики предметной области задачи и т.д.;

2) надежность - устойчивость, точность выполнения предписанных функций обработки, возможность диагностики возникающих ошибок в работе программы;

3) эффективность - как с точки зрения требований пользователя, так и в расходе вычислительных ресурсов;

4) учет человеческого фактора - дружественный интерфейс, контекстно-зависимая подсказка, хорошая документация;

5) модифицируемость - способность к внесению изменений, например расширение функций обработки, переход на другую техническую базу обработки и т.п.;

6) коммуникативность - максимально возможная интеграция с другими программами, обеспечение обмена данными между программами.

Все программы по характеру использования и категориям пользователей можно разделить на два класса - утилитарные программы и программные продукты.

Утилитарные программы («программы для себя») предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков. Чаще всего такие программы выполняют роль отладочных приложений, являются программами решения задач, не получающих широкого распространения.

Программные продукты (изделия) служат для удовлетворения потребностей пользователей, широкого распространения и продажи.

В настоящее время существуют и другие варианты легального распространения программных продуктов, которые появились с использованием глобальных телекоммуникаций:

· freeware - бесплатные программы, свободно распространяемые, поддерживаются самим пользователем, который правомочен вносить в них необходимые изменения;

· shareware - некоммерческие (условно-бесплатные) программы, которые могут использоваться, как правило, бесплатно.

Ряд производителей использует OEM-программы (Original Equipment Manufacturer), т.е. встроенные программы, устанавливаемые на компьютеры или поставляемые вместе с компьютерами.

Программный продукт должен быть соответствующим образом подготовлен к эксплуатации (отлажен), иметь необходимую техническую документацию, предоставлять сервис и гарантию надежной работы программы, иметь товарный знак изготовителя, а также наличие кода государственной регистрации.

Защита программного обеспечения

Защита программного обеспечения преследует следующие цели:

· ограничение несанкционированного доступа к программам или их преднамеренное разрушение и хищение;

· исключение несанкционированного копирования (тиражирования) программ.

ПО должно быть защищено от воздействия:

человека - хищение машинных носителей и документации ПО;

нарушения работоспособности ПО и др.;

аппаратуры - подключение к компьютеру аппаратных средств для считывания программ и данных или физического разрушения;

специализированных программ - приведение ПО или БД в неработоспособное состояние (например, вирусное заражение), несанкционированное копирование программ и БД и др.

Самый простой и доступный способ защиты программных продуктов и БД - ограничение доступа. Контроль доступа к ПО и БД строится путем:

· парольной защиты программ при запуске;

· использования ключевой дискеты для запуска программ;

· ограничения программ или данных, функций обработки, доступных пользователям, и др.

Могут использоваться и криптографические методы защиты информации БД или программных модулей.

Существуют программные системы защиты от несанкционированного копирования, которые предотвращают нелицензионное использование ПО и БД. Программы выполняются только при опознании некоторого ключевого элемента. Таким ключевым элементом могут быть:

· дискета, на которой записан не подлежащий копированию ключ;

· определенные характеристики аппаратуры компьютера;

· специальное устройство (электронный ключ), подключаемое к компьютеру и предназначенное для выдачи опознавательного кода.

· Программные системы защиты от копирования ПО выполняются следующими действиями:

· идентифицируют среду, из которой будет запущена программа;

· устанавливают соответствующие среды, из которых может быть запущена программа, та, для которой разрешен санкционированный запуск;

· вырабатывают реакцию на запуск из несанкционированной среды;

· регистрируют санкционированное копирование;

· противодействуют изучению алгоритмов и программ.

Для идентификации запускающих дискет применяются следующие методы:

1) нанесение повреждений на поверхности («лазерная дыра»), которая с трудом может быть воспроизведена в несанкционированной копии дискеты;

2) нестандартное формирование запускающей дискеты.

Идентификация среды компьютера обеспечивается за счет:

1) закрепления месторасположения программ на жестком магнитном диске (так называемые неперемещаемые программы);

2) привязки к номеру BIOS (расчет и запоминание с последующей проверкой при запуске контрольной суммы системы);

3) привязка к аппаратному (электронному) ключу, вставленному в порт ввода-вывода и др.

В странах Запада наиболее популярны методы правовой защиты ПО и БД. Правовые методы защиты программ включают:

патентную защиту;

закон о производственных секретах;

лицензионные соглашения и контракты;

закон об авторском праве.

Патентная защита устанавливает приоритет в разработке и использовании нового подхода или метода, примененного при разработке программ, удовлетворяет их оригинальность.

Статус производственного секрета для программы ограничивает круг лиц, допущенных к эксплуатации, а также определяет меру их ответственности за разглашение секретов.

Лицензионное соглашение распространяется на все аспекты правовой охраны программных продуктов, включая авторское право, патентную защиту, производственные секреты. Наиболее часто используются лицензионные соглашения на передачу авторских прав.

Лицензия - договор на передачу одним лицом (лицензиаром) другому лицу (лицензиату) права на использование имени, продукции, технологии или услуги. Лицензиар увеличивает свои доходы сбором лицензионных платежей, расширяет область распространения программного продукта или БД; лицензиат извлекает доходы за счет их применения.

В лицензионном соглашении оговариваются все условия эксплуатации программы, в том числе создание копий.

Существует несколько типов лицензий на ПО:

1. Исключительная лицензия - продажа всех имущественных прав на ПО или БД, покупателю предоставляется исключительное право на их использование, а автор или владелец патента отказывается от самостоятельного их применения или предоставления другим лицам.

2. Простая лицензия - лицензиар предоставляет лицензиате использовать ПО или БД, оставляя за собой право применять и предоставлять на аналогичных условиях неограниченному числу лиц (лицензиат может лишь продавать копии приобретенного ПО или БД).

3. Этикеточная лицензия - лицензия на одну копию ПО или БД. Данный тип применяется в розничной продаже.

4. Авторское право предоставляет автору (физическому лицу) выпускать в свет, воспроизводить в любой форме, распространять, модифицировать, осуществлять использование ПО или БД.

Закон об охране ПО и БД автором признает физическое лицо, в результате творческой деятельности которого они созданы. Автору независимо от имущественных прав принадлежат личные авторские права: авторство, имя, неприкосновенность (целостность) программ или БД. Авторское право действует с момента создания ПО или БД в течение всей жизни автора и 50 лет после смерти.

Классификация программного обеспечения

Выделяют три класса ПО:

1) системное ПО;

2) пакеты прикладных программ (прикладное ПО);

3) инструментарий технологии программирования (инструментальные средства для разработки ПО).

Системное ПО направлено:

· на создание операционной среды функционирования других программ;

· на обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

· на проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

· на выполнение вспомогательных технологических процессов (копирование, архивация, восстановление файлов программ и БД и т.п.).

Системное ПО (System Software) - совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и вычислительных сетей.

Прикладное ПО служит программным инструментарием решения функциональных задач и является самым многочисленным классом ПО. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей. Таким образом, прикладное ПО - комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса предметной области.

Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированное ПО, которое является инструментальным средством разработки. ПО данного класса поддерживает все технологические этапы процесса проектирования, программирования, отладки и тестирования создаваемых программ. Пользователями данного ПО являются системные и прикладные программисты.

Системное программное обеспечение

В составе системного ПО можно выделить две составляющие:

базовое ПО;

сервисное ПО.

Базовое ПО - минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

Сервисное ПО - программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового ПО и организуют более удобную среду работы пользователя.

В базовое ПО входят:

· операционная система;

· операционные оболочки (текстовые, графические);

· сетевая операционная система.

Компьютер выполняет действия в соответствии с предписаниями программы, созданной на одном из языков программирования. При работе пользователя на компьютере часто возникает необходимость выполнять операции с прикладной программой в целом, организовать работу внешних устройств, проверить работу различных блоков, скопировать информацию и т.д. Эти операции используются для работы с любой программой. Поэтому целесообразно из всего многообразия операций, выполняемых компьютером, выделить типовые и реализовать их с помощи специализированных программ, которые следует принять в качестве стандартных средств, поставляемых вместе с аппаратной частью. Программы, организующие работу устройств и не связанные со спецификой решаемой задачи, вошли в состав комплекса программ, названного операционной системой.

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем.

Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования. Любая прикладная программа связана с ОС и может эксплуатироваться только на компьютерах, где имеется аналогичная системная среда. Программа, созданная в среде одной ОС, не функционирует в среде другой ОС, если в ней не обеспечена возможность конвертации (преобразования) программ.

Для работы с ОС необходимо овладеть языком этой среды - совокупностью команд, структура которых определяется синтаксисом этого языка.

ОС выполняет следующие функции:

· управление работой каждого блока ПО и их взаимодействием;

· управление выполнением программ;

· организация хранения информации во внешней памяти;

· взаимодействие пользователя с компьютером (поддержки интерфейса пользователя).

Обычно ОС хранится на жестком диске, а при его отсутствии выделяется специальный гибкий диск, который называется системным диском. При включении компьютера ОС автоматически загружается с диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. ОС создается не для отдельной модели компьютера, а для серии компьютеров, в структуру которых заложена и развивается во всех последующих моделях определенная концепция.

Операционные системы для персональных компьютеров (ПК) делятся:

· на одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);

· на одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с ОС);

· на непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· на несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в вычислительных системах ЭВМ.

Операционные системы, как правило, сравнивают по следующим критериям:

· управление памятью (максимальный объем адресуемого пространства, технические показатели использования памяти);

· функциональные возможности вспомогательных программ (утилиты) в составе ОС;

· наличие компрессии магнитных дисков;

· возможность архивирования файлов;

· поддержка многозадачного режима работы;

· наличие качественной документации;

· условия и сложность процесса инсталляции.

Наиболее распространенными ОС для персональных компьютеров в настоящее время являются:

· Windows NT (Microsoft);

· Windows 95, Windows 98 (Microsoft);

· UNIX, в том числе UNIXWare Personal Edition (NoweU);

· MS DOS (Microsoft);

· OS/2 (IBM).

Операционная система MS DOS появилась в 1981 г. В настоящее время существуют версии 6.22 и 7.0 в составе Windows 95, а также ее разновидности других фирм-разработчиков (DR-DOS, PC-DOS). Начиная с 1996 г. эта ОС распространяется в составе Windows 95.

Операционная система OS/2 разработана IBM для ПК на основе системной прикладной архитектуры, ранее используемой для больших ЭВМ. Это многозадачная, многопользовательская ОС, обеспечивающая как текстовый, так и графический интерфейс пользователя. OS/2 обеспечивает:

· поддержку графического интерфейса пользователя;

· одновременную обработку нескольких приложений;

· многопоточную обработку нескольких задач одного приложения;

· 32-разрядную обработку данных;

· сжатие данных при записи на магнитный диск;

· защиту памяти.

Важными особенностями OS/2 является высокопроизводительная файловая система HPFS (High Performance File System), имеющая преимущества для серверов БД (в отличие от MS DQ поддерживаются длинные имена файлов), а также поддержка мультипроцессорной обработки - до 16 процессоров типа Intel Power PC. OS/2 Warp имеет встроенный доступ в Интернет, систему распознавания речи VoiceType, интегрированную версию Lotus Notes Mail для передачи электронной почты. В OS/2 могут выполняться прикладные программы Windows 3.x, но не могут выполняться приложения, работающие в среде Windows NT.

ОС UNIX, созданная корпорацией Bell Laboratory, реализует принцип открытых систем и широкие возможности объединения в составе одной вычислительной системы разнородных технических и программных средств. UNIX обладает следующими свойствами:

· переносимость прикладных программ с одного компьютера на другой;

· поддержка распределенной обработки данных в сети ЭВМ;

· сочетаемость с процессорами RISC.

UNIX получила распространение для суперкомпьютеров, рабочих станций и профессиональных ПК, имеет большое число версий, разработанных различными производителями ПО.

Сетевая ОС - это комплекс программ, обеспечивающих обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и т.д.), поддерживает работу в абонентских системах. Сетевые ОС используют архитектуру клиент - сервер или одноранговую архитектуру. Вначале эти ОС поддерживали только локальные вычислительные сети (ЛВС), сейчас они распространяются и на объединения ЛВС. Наибольшее распространение имеют Windows 95, LAN Server, NetWare.

Windows NT является многозадачной, предназначенной для архитектуры клиент - сервер и использования различных протоколов транспортного уровня сетевой ОС (IPX/SPX, TCP/IP Net Bios), имеет 32-разрядную архитектуру и обеспечивает следующие функции локальной сети:

· возможность каждой абонентской системы в сети быть сервером или клиентом;

· совместную работу группы пользователей;

· адресацию оперативной и внешней памяти большого размера;

· многозадачность и многопоточность обработки данных;

· поддержку мультипроцессорной обработки и др.

Операционные оболочки - специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Наиболее популярны такие текстовые оболочки MS DOS, как Norton Commander, DOS Navigator, Volkov Commander и др. Эти программы существенно упрощают задание управляющей информации для выполнения команд ОС, уменьшают сложность работы конечного пользователя.

Среди графических оболочек MS DOS можно выделить Windows 3.1, Windows 3.11 for Work Group, которые расширяют набор основных (диспетчер файлов, графический редактор, текстовый редактор и т.д.) и сервисных функций, обеспечивающих пользователю создание систем обработки информации в составе одноранговых локальных сетей.

Расширением базового ПО компьютера является набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:

· программы диагностики работоспособности компьютера;

· антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и восстановление зараженных файлов;

· программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физическом уровнях, сжатие дисков, резервное копирование данных на внешние носители и др.;

· программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;

· программы обслуживания сети.

Эти программы часто называют утилитами.

Утилиты - программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров.

Наибольшее распространение имеют следующие утилиты:

· Norton Utilities;

· программа резервного копирования HP Colorado BackU for Windows 95;

· антивирусные программы (AVP Toolkit E. Касперского Norton Antivirus for Windows 95 - автоматическое создание резервных копий данных boot-секторов и критически файлов; Anti-Virus (Central Point Soft Ware Inc.) - обнаружение зараженных файлов без исправления как в DOS, так и в Windows и др.).

Операционная система MS DOS

Операционная система MS DOS имеет модульную структуру.

Модуль - унифицированная самостоятельная функциональная часть, имеющая законченное оформление и средства сопряжения с другими функциональными узлами и модулями.

Структура MS DOS отражена на рис. 1.1.

В состав MS DOS входят следующие модули:

· BIOS (BASIC Input/Output System) - базовая система ввода - вывода;

· модуль расширения ЕМ BIOS (Extension Module BIOS) в
виде файла с именем IO.SYS;

· командный процессор или интерпретатор команд (CI -
Command Interpreter) в виде файла CОMMAND.COM;

· внешние программы и драйверы, утилиты - файлы с расширением:.COM,.EXE,.SYS;

· системный загрузчик (SB - System Bootstrap);

· инструментальные средства DOS: система программирования МS DOS QBASIC; текстовый редактор VS DOS EDITOR; отладчик DEBUG для тестирования и отлаживания исполняемых файлов.



Рис. 1.1 Структура MS-DOS

MS DOS, кроме модуля BIOS, обеспечивает хранение информации на внешнем носителе, обычно жестком, реже на гибком диске. После включения компьютера в сеть начинается процесс перезаписи ОС с диска в оперативную память -- загрузка ОС.

Прерывания - это процедуры, которые компьютер вызывает для выполнения определенной задачи.

Существуют аппаратные, логические и программные прерывания.

Аппаратные - инициируются аппаратурой, например сигналом от принтера, нажатием клавиши на клавиатуре, сигналом от таймера и другими причинами.

Логические - возникают при нестандартных ситуациях в работе микропроцессора, например деление на нуль, переполнение регистров и др.

Программные - инициируются программами, т.е. появляются, когда одна программа хочет получить сервис со стороны другой программы, например доступ к осуществляемым аппаратным средствам.

Каждое прерывание имеет уникальный номер, и с ним связана определенная подпрограмма. Когда вызывается прерывание, процессор оставляет свою работу и выполняет прерывание. Затем загружается адрес программы обработки прерывания и ей передается управление. После окончания ее работы управление передается основной программе, которая была прервана. Aппaратные прерывания обслуживаются BIOS и имеют младшие номера, программные и логические обслуживаются базовым модулем DOS и имеют большие номера.

BIOS находится в ПЗУ. Тип ОС может меняться, но BIOS остается постоянным. Поэтому BIOS, строго говоря, не входит состав MS DOS, но поскольку без него функционирование ОС невозможно, будем считать его компонентом MS DOS.

Основная функция BIOS - управление стандартными внешними (периферийными) устройствами, входящими в состав комплекта ПК: дисплеем, клавиатурой, дисководами, принтером, таймером.

Вспомогательные функции BIOS реализуются при включении ПК:

· поиск сначала на гибком, затем на жестком диске программы-загрузчика ОС и загрузка с диска в оперативную память;

· тестирование аппаратурной части, а при обнаружении неисправности - индикация сообщения;

· инициализация векторов прерывания нижнего уровня (аппаратных).

BIOS содержит драйверы стандартных внешних устройств, тестовые программы для контроля работоспособности аппаратуры, программу начальной загрузки ОС.

Функции драйвера:

· прием и обработка запроса (управляющего сигнала), который поступает к данному периферийному устройству;

· преобразование запроса в серию команд управления устройством;

· обработка сигнала прерывания, который поступает от соответствующего этому драйверу периферийного устройства.

Драйверы могут быть стандартными и загружаемыми.

Стандартные (внутренние) драйверы - это программы, которые находятся внутри BIOS или ЕМ BIOS и служат для управления внешними устройствами, входящими в стандартный комплект поставки ПК, подключаются автоматически.

Загружаемые (внешние, устанавливаемые) драйверы - программы, хранящиеся на диске и предназначенные для управления внешними устройствами, которые отличаются от стандартных либо по своим техническим параметрам, либо по режимам эксплуатации, подключаются к системе только тогда, когда они указаны в файле конфигурации CONFIG.SYS.

Модуль расширения BIOS - ЕМ BIOS хранится в виде файла IO.SYS в заранее фиксированном месте на диске, при необходимости перекрывая (блокируя) некоторые функции BIOS. ЕМ BIOS позволяет конфигурировать ОС с помощью файла CONFIG.SYS, а также выполнять подключение загружаемых драйверов.

Функции ЕМ BIOS на этапе загрузки:

· определение состояния оборудования;

· конфигурирование MS DOS по указаниям в файле CONFIG.SYS;

· инициализация и переустановка некоторых векторов прерываний нижнего уровня;

· запуск базового модуля DOS.

Базовый модуль располагается в виде файла MSDOS.SYS в специально выделенном месте на системном диске вслед за IO.SYS.

Основные функции: управление ресурсами компьютера, файловой системой на дисковом пространстве и управление работой программ с помощью системы прерываний.

Функции на этапе загрузки базового модуля: считывание в память и запуск командного процессора, инициализация векторов прерываний верхнего уровня.

Командный процессор предназначен для поддержки пользовательского интерфейса DOS. Он представляет собой обычный файл C0MMAND.COM и располагается на системном диске в любом месте.

Командный процессор состоит из двух модулей: резидентного и транзитного. Резидентный модуль после загрузки ОС постоянно хранится в оперативной памяти. Транзитный модуль может вытесняться из оперативной памяти на диск прикладной программой, если ей для работы не хватает памяти. После окончания работы такой программы транзитный модуль вновь восстанавливается в оперативной памяти на прежнем месте.

Взаимодействие с командным процессором осуществляется с помощью резидентных (внутренних) и транзитных (внешних) команд. Резидентные входят в состав командного процессора, транзитные -.EXE или.СОМ-файлы - входят в состав MS DOS.

Основные функции командного процессора при работе ПК:

· прием и анализ команд, введенных с клавиатуры или из командного файла;

· выполнение внутренних команд;

· загрузка программ в память для их выполнения;

· обработка прерываний по завершении задач.

На этапе загрузки запускается файл автонастройки AUTOEXEC.BAT.

Загрузчик BOOT RECORD (модуль начальной загрузки) всегда размещается на диске в нулевом секторе и занимает объем 512 байт. Основное назначение - поиск и загрузка с диска в оперативную память IO.SYS и MSDOS.SYS. Если загрузчик не находит эти файлы, работа компьютера приостанавливается.

Алгоритм загрузки ОС MS DOS приведен на рис. 1.2.

Размещение MS DOS в оперативной памяти приведено на рис. 1.3.

Для доступа к файлу ОС использует таблицу FAT. Она хранится на определенном месте в двух экземплярах, таким образом при повреждении основной таблицы (первой копии) можно восстановить информацию о размещении файлов с помощью дублирующей (второй копии) таблицы. Каждая ячейка FAT содержит номер кластера, количество ячеек FAT определяется числом кластеров на диске. В так называемом главном каталоге (специальная область на диске) хранится информация о директориях и файлах, в том числе и номер первого кластера файла. В ячейке FAT, соответствующей этому номеру кластера, содержится номер второго кластера файла и т.д. Так будет создана цепочка, показывающая, где расположен файл. В последней клетке таблицы, завершающей цепочку, находится код FFF или FFFF для указания ее конца.

Сетевая операционная система Novell NetWare

Сетевую ОС NetWare можно рассматривать как распределенную ОС, модули которой располагаются на файл-сервере и рабочих станциях. NetWare включает следующие компоненты: ядро сетевой ОС, сетевые утилиты, сетевую оболочку рабочих станций.

Ядро сетевой ОС размещается на файл-сервере. Сетевые утилиты резидентные - в памяти файл-сервера, но запускаются на рабочих станциях. Сетевая оболочка рабочих станций загружается и функционирует на рабочей станции как расширение основной ОС, установленной на рабочей станции.

NetWare представляет собой мультизадачную ОС реального времени. Она ориентирована на работу в ЛВС с централизованным управлением. В NetWare предусмотрена возможность работы в сети одного или нескольких файл-серверов.



Рис. 1.2 Алгоритм загрузки DOS

Рис. 1.3 Размещение MS DOS в оперативной памяти

NetWare 2.x предназначалась для работы на серверах с центральным процессором 80286. Под управлением этой версии серверы могли обслуживать до 100 рабочих станций. NetWare 2.x использовала для работы собственный протокол межсетевого обмена пакетами, что исключало взаимодействие с другими сетями. Последний вариант - NetWare 2.2.

NetWare 3.x предназначается для работы на серверах с центральными процессорами 80386, 80486 и PENTIUM. Серверы с этой версией могут обслуживать до 250 рабочих станций. NetWare 3.x рассчитана на работу с разнообразными коммуникационными протоколами, поэтому серверы, оснащенные ею, можно подключать к различным сетям.

На рабочих станциях, поддерживающих эту версию, можно использовать операционные системы UNIX и Macintosh. NetWare 3.11 и 3.12 - наиболее популярные сетевые продукты NOVELL в настоящее время. Версия 3.12 отличается от 3.11 увеличением набора сетевых драйверов, утилит, встроенными средствами электронной почты и возможностью работы с накопителями CD-ROM.

NetWare 4.x также предназначается для работы на серверах с центральными процессорами 80386, 80486, PENTIUM. Обеспечивает подключение до 1000 рабочих станций с ОС MS DOS, Windows, OS/2, UNIX и Macintosh. Предусмотрена работа с несколькими серверами в одной сети. Но отличие от предыдущих версий NetWare, которые требовали регистрации пользователя на каждом сервере, в том, что эта версия обеспечивает доступ ко всем ресурсам после регистрации хотя бы на одном сервере. Усовершенствована сетевая защита.

В NetWare все сетевые операции реализуются по технологии клиент-сервер. Ресурсы сети доступны рабочим станциям не только по запросу, транслированному через сеть на сервер. Ресурсы рабочих станций доступны только пользователям самих станций и в сети не разделяются, т.е. ЛВС функционирует в режиме выделенного файл-сервера.

Ядро ОС NetWare на файл-сервере запускается программой SERVER.EXE. После прекращения работы сетевой ОС можно снова вернуться в MS DOS. После загрузки ядра последовательно загружаются все другие необходимые компоненты ПО файл-сервера - так называемые загружаемые модули NetWare (NLM), которые обеспечивают управление файлами, хранящимися на файл-сервере, управление БД, сетевыми принтерами, внешними каналами связи и другими ресурсами, хранящимися на файл-сервере.

При установке ОС NetWare на файл-сервере его жесткий диск разбивается как минимум на два раздела (части физического диска). Первый раздел отводится для MS DOS некоторых файлов, обеспечивающих запуск сетевой ОС. Размер раздела небольшой (3-5 Мбайт). Этот раздел формируется в формате MS DOS. Второй раздел диска формируется в формате NetWare. В нем размещаются модули сетевой ОС, сетевые утилиты, а также файлы и базы данных, которые должны быть доступны пользователям рабочих станций. Операционная система использует для передачи данных два основных протокола - IPX и SPX.

Протокол IPX (Internetwork Packet Exchange - межсетевая передача пакетов) - базовый для NetWare - определяет формат пакетов, передаваемых по сети, и интерфейс с сетевым ПО, соответствует сетевому уровню модели ВОС. На этом уровне протокол обеспечивает обмен блоками данных без предварительного установления соединения и без последующей передачи подтверждения на правильно доставленные блоки данных.

Протокол SPX (Sequenced Packet Exchange - последовательный обмен пакетами) предусматривает установление связи между рабочими станциями перед началом обмена. Протокол SPX гарантирует доставку пакетов адресату. На каждый принятый пакет передается подтверждение, а в случае возникновения ошибок при передаче пакетов осуществляется их повторная передача. Протокол SPX является протоколом транспортного уровня и взаимодействует с IPX-протоколом.

Кроме этих двух основных протоколов может использоваться протокол NETBIOS, разработанный IBM, который выполняет функции сетевого, транспортного и сеансового уровней.

Распределенная служба каталогов NDS (NetWare Directory Service) хранит информацию обо всех пользователях сети, о серверах, ресурсах сети в специальной базе данных. Доступ к этой БД имеют как администраторы, так и другие пользователи сети. Все серверы одной сети хранят информацию обо всех сетевых ресурсах. Получается, что они используют одни каналы сложной структуры, а для всех пользователей сети создается единое сетевое пространство. Пользователь к ресурсу обращается через, службу NDS по уникальному имени ресурса.

Файловая система NetWare состоит из томов, которые предоставляют систему дисковой памяти. Том - физическая область на жестком диске файл-сервера внутри раздела в формате NetWare. Сервер может поддерживать до 64 томов на одном жестком диске. Первый том в системе всегда носит название SYS. Он создается при установке сетевой ОС. На нем содержится следующая структура каталогов:

· SYSTEM - содержит команды NetWare и файлы супервизора сети;

· PUBLIC - содержит файлы NetWare, доступные всем пользователям;

· LOGIN - каталог, доступный пользователю после регистрации в сети;

· MAIL - каталог, доступный всем пользователям сети для электронной почты. Тома являются высшими (корневыми) уровнями в структуре каталогов дисков ОС NetWare.

Для того чтобы с томом можно было работать, его необходимо смонтировать.

Тома монтируются при загрузке сервера NetWare. Том SYS монтируется автоматически. Другие тома монтируются с помощью команд в файле конфигурации AUTOEXEC.NCF (используется команда mount для монтирования и dismount для размонтирования тома).

Специальная команда MAP позволяет упростить схему имен каталогов NetWare и осуществлять ссылку на каталоги по буквенным меткам дисков. Команда MAP аналогична команде PATH в ОС MS DOS. Для этого ее включают в сценарий регистрации пользователя в системе, который запускается для входа в сеть.

На рабочих станциях устанавливаются ОС (MS DOS, OS/2 и др.), а также специальная сетевая оболочка (рис. 1.4), которая загружается в оперативную память рабочей станции как задача ее ОС при подключении станции к сети.

Основным компонентом оболочки является запросчик DOS (DOS Requester). Главная его задача - перенаправление запросов от прикладных программ на доступ к файлам либо на локальный диск, либо на сетевой диск. Если файлы находятся на локальных дисках, то запросчик возвращает запрос в DOS. Если файлы находятся на сетевом диске, то производится обслуживание запроса: определяется, с какого сервера, диска, каталога необходимо прочитать файл.

Рис. 1.4 Сетевая оболочка MS DOS

Для прикладной программы, работающей в среде MS DOS, запросчик эмулирует работу жесткого диска. После его загрузки в оперативную память рабочей станции пользователь получает в свое распоряжение дополнительные логические диски. Физически этих дисков на рабочей станции нет, но для программы и пользователя они ничем не отличаются от локальных жестких дисков.

Рассмотрим основные средства защиты в NetWare. NetWare предоставляет пользователям четыре уровня защиты:

· защита именем регистрации и паролем;

· защита правами опекунства;

· защита каталогов фильтром наследуемых прав;

· защита каталогов и файлов с помощью атрибутов.

Администратор ЛВС должен определить группы (совокупность пользователей, выполняющих определенный класс задач, требующих доступа к общей информации), состав групп и установить права для групп и пользователей в файлах и каталогах.

Опекунские права предоставляются для работы с файлами определенного каталога или же отдельными файлами. Пользователь автоматически получает опекунские права на подкаталоги.

Опекунские права пользователей:

· S (Supervisor) - супервизорное право;

· R (Read) - чтение из файла;

· W (Write) - запись в файл;

· A (Access Control) - контроль доступа (назначать любые права другим опекунам);

· С (Create) - создание новых файлов и каталогов;

· Е (Erase) - удаление файлов и каталогов;

· F (File Scan) М поиск файлов и каталогов;

· М (Modify) - модификация атрибутов файлов, переименование файлов и каталогов.

Фильтр наследуемых прав влияет на каталоги и всех опекунов в подкаталогах. Максимально фильтр включает все восемь опекунских прав и записывает в виде [SRCWCEMFA].

Применение атрибутов файлов директорий дает возможность пользователю регулировать процесс совместного использования его личных файлов и каталогов и их модификации.

Операционная система Windows

Windows - 32 (64)-разрядная ОС со встроенной поддержкой сетевых функций. Эта ОС обеспечивает полную совместимость с программами, рассчитанными на MS DOS и Windows 3.x.

Архитектура Windows изображена на рис. 1.5. Центральная инструментальная БД в Windows называется реестром (Registry). Основное назначение реестра - централизованное хранение информации о параметрах конфигурации системы, в том числе об аппаратных средствах и для самонастройки устройств типа Plug and Play (включил - работай), информацию о конкретных приложениях и профилях пользователей. С помощью реестра можно распределить ресурсы одного компьютера между несколькими пользователями и создать на нем несколько конфигураций.

В Windows среди драйверов устройств различают универсальные драйверы и мини-драйверы.

Универсальный драйвер включает большую часть кода, необходимого конкретному классу устройств (например, принтеру или модему) для «общения» с соответствующими компонентами ОС (например, подсистемами печати и связи). Мини-драйвер - сравнительно небольшой и простой драйвер, содержащий какие-либо дополнительные инструкции, необходимые для управления определенным устройством. Универсальный драйвер включает код для управления какой-либо категорией устройств в рамках общего стандарта для этой категории. Драйвер виртуального устройства (Virtual Device Driver, VxD) - 32-битный драйвер запрещенного режима, управляющий каким-либо системным ресурсом (аппаратным или программным) и позволяющий использовать этот ресурс одновременно более чем одному приложению, х подразумевает тип конкретного виртуального устройства (VDD - дисплея, VTD - таймера, VPD - принтера и т. д.). VxD-драйверы загружаются динамически.

Для поддержки функциональных возможностей технологии Plug and Play в архитектуре Windows включен диспетчер конфигурации, управляющий процессом конфигурирования системы. Диспетчер конфигурации дает гарантию того, что каждое устройство сможет пользоваться линиями аппаратных прерываний (IRQ), адресами портов ввода/вывода и прочими ресурсами без конфликтов с другими устройствами. При изменениях в составе оборудования диспетчер отслеживает эти изменения и при необходимости управляет процессом перенастройки оборудования, после чего уведомляет об этом приложения.

Рис. 1.5 Архитектура Windows

Диспетчер виртуальной машины выделяет ресурсы каждому приложению и системному процессу, выполняемому на компьютере. Виртуальная машина - это некая среда в памяти, которая кажется приложению отдельным компьютером с теми же ресурсами, что и у физического компьютера. Диспетчер виртуальной машины включает планировщик процессов, блок подкачки страниц памяти и интерфейс защитного режима MS DOS.

Планировщик процессов - компонент, отвечающий за выделение системных ресурсов приложениям и другим выполняемым на компьютере процессам, а также за распределение процессорного времени, что позволяет одновременно выполнять несколько процессов. В Windows применяются два метода для одновременного выполнения процессов: кооперативная многозадачность и вытесняющая многозадачность (cooperative и preemptive multitasking). Кооперативная (используется в Windows 3.x) предусматривает то, что само просматривает очередь сообщений и передает управление другим выполняемым приложениям. Программы, слишком редко проверяющие свою очередь, «захватывают» все процессорное время, не давая переключиться в другие приложения. Вытесняющая - ОС сама «решает», у какой программы отобрать управление и какой передать.

Каждой программе выделяется адресное пространство 4 Гбайта (верхние 2 Гбайта резервируются системой, нижние 2 Гбайта отдаются программе). При этом все виртуальное пространство разбивается на равные блоки или страницы. Подкачка страниц по запросу - метод, при котором код и данные перемещаются из физической памяти в страничные файлы на диске и обратно по необходимости. Блок подкачки страниц памяти проектирует виртуальные адреса с адресного пространства процесса на физические страницы памяти компьютера. При этом физическая память линейной адресации памяти позволяет использовать все 4 Гбайта адресной памяти для 32-битных приложений.

Несмотря на то что большинство MS DOS программ хорошо работает под управлением Windows, какая-то часть таких программ требует монопольного доступа к системным ресурсам. В этом случае диспетчер виртуальной машины создает отдельную операционную среду, называемую сеансом MS DOS. В этом режиме системные ресурсы недоступны другим приложениям и процессам.

В Windows доступ к дисковым и переадресованным (через сеть) устройствам осуществляется через диспетчер настраиваемой файловой системы. Он также отвечает за арбитраж доступа к устройствам файловой системы и их компонентам. Этот диспетчер взаимодействует со следующими драйверами:

· 32-битный VFAT драйвер - для файловых операций на дисковых устройствах;

· 32-битный драйвер CDFS -- для файловых операций на CD-ROM;

· 32-битные редиректоры для подключения к серверам Windows NT, Server, Novell NetWare и др.

32-битовая VFAT работает с 32-битным драйвером защищенного режима кэша - VCASHE. Этот драйвер заменяет 16-битный SMARTDrive реального режима, поставляемого в Windows 3.x и MS DOS. Отличие VCASHE: более эффективный алгоритм кэширования дисков, кроме того, реализовано управление КЭШем для файловых систем CDFS и 32-битных сетевых редиректоров, объем кэша теперь меняется динамически в зависимости от объема свободной памяти в системе.

Диспетчер ввода/вывода - VxD-драйвер, обеспечивающий сервис для файловой системы и драйверов, а также отвечает за поддержку очередности запросов на файловый сервис и маршрутизацию запросов соответствующим драйверам. Он загружает и инициализирует драйверы устройств защищенного режима и обеспечивает сервис операций ввода/вывода.

...