Стариков А.В. Основы информатики: учебное пособие (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

курсора мыши на экране возлагается на специальную системную программу −

драйвер мыши.

Отсчет величины перемещения мыши на плоскости задается вращением

небольшого, покрытого резиной, металлического шарика, утопленного в

“брюшке” мыши. Вращение шарика приводит к повороту двух пластмассовых

роликов, закрепленных на взаимно перпендикулярных осях в корпусе мыши. На

одном конце каждого из роликов находится небольшой пластмассовый или ме-

таллический диск с множеством радиальных прорезей, причем каждый из дис-

ков установлен как раз между источником света и фотодетектором (например,

фотодиодом или фоторезистором).

Смещение мыши на сотые доли дюйма приводит к повороту осей и, соот-

ветственно, дисков, что обеспечивает периодическое прерывание световых лу-

чей. Попадание световых импульсов на фотодетекторы приводит к дискретному

изменению потенциалов. Этот факт фиксируется электронной схемой в корпусе

мыши, которая формирует специальные электрические сигналы и передает их в

системный блок.

Хотя мышь была изобретена Дугласом Энджельбертом еще в начале

1960-х годов, она не является стандартным устройством ввода, поэтому ПК не

имеет для нее специального порта; обычно мышь подключается к разъему пор-

та COM1 (реже − COM2), расположенному на задней стенке системного блока.

В современных ПК мышь может быть также подключена к разъему PS/2 или

USB. Для обеспечения работы мыши требуется загрузка соответствующего

драйвера.

Современный интерфейс “пользователь-компьютер”, реализованный в

операционных системах и прикладных программах, основывается на экранном

графическом представлении различных информационных объектов и использо-

вании мыши в качестве целеуказателя. В этой связи конструкция мыши посто-

янно совершенствуется, изменяются принципы ее действия (например, имеются

так называемые оптические мыши, использующие отражение луча света от спе-

циального коврика с нанесенной на него мелкой координатной сеткой). В на-

стоящее время любая программа, претендующая на роль профессионально ис-

полненной, должна поддерживать графический интерфейс и манипуляции с

мышью.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислить основные компоненты типичного микрокомпьютера и нарисо-

вать его общую структурную схему. Что выступает в роли интегрирующего

звена микрокомпьютера? Почему?

2. Какой компонент микрокомпьютера играет роль внутренних часов микро-

процессора? Для чего, собственно, микрокомпьютеру нужны внутренние ча-

сы?

3. Для какой цели в микрокомпьютере используются микросхемы ПЗУ? Какие

типы ПЗУ известны? В чем их различие?

4. В чем выражается и чем обусловлен феномен IBM PC? В чем состоит так на-

зываемый принцип “открытой” архитектуры, реализованный в IBM PC?

5. Привести основную хронологию появления базовых моделей IBM PC. Какие

микропроцессоры использовались в этих моделях?

6. Перечислить устройства, входящие в состав современного IBM PC-

совместимого компьютера. Какие устройства заключены в системный блок

компьютера?

7. Перечислить типы шин IBM PC-совместимых компьютеров и их основное

назначение. Для какой цели используются локальные шины компьютеров?

8. Кратко описать устройство приводов гибкого и винчестерского дисков. В

чем их основное различие?

9. Что входит в состав видеосистемы современного персонального компьюте-

ра? Кратко описать основные принципы работы монитора, его технические

характеристики.

10. Мышь, так же как и клавиатура, является устройством ввода. В чем, собст-

венно, состоит их различие, если не считать разного количества клавиш

(кнопок)?

Глава 4

Системное программное обеспечение

персонального компьютера

Программное обеспечение − это обобщенное понятие, введенное для обо-

значения множества всех программ, используемых на ЭВМ. Соответствующий

англоязычный термин software переводится буквально как “мягкое” обеспече-

ние − в противоположность hardware, т.е. “жесткому”, или аппаратному, обес-

печению (техническим средствам ЭВМ или, проще говоря, “железу”). Такая

терминология призвана указать на принципиальное различие между техниче-

скими и программными средствами ЭВМ и отметить универсальный, или адап-

тируемый, характер последних.

Как отмечалось выше, все программы можно отнести либо к системному,

либо к прикладному программному обеспечению. В данной главе рассмотрены

вопросы, связанные с использованием общесистемных (операционные системы)

и сервисных прикладных программ (утилиты). Наиболее обширный класс про-

грамм составляют проблемно-ориентированные прикладные программы (на-

пример, системы программирования, управления документооборотом, автома-

тизированного проектирования, бухгалтерские программы и т.д.). Некоторые из

них рассмотрены в части 2 данного пособия, другие − в курсе “Информацион-

ные системы и технологии в экономике”.

4.1 Иерархия программных средств

Аналогично тому, как состав технических средств персонального компь-

ютера называют аппаратной конфигурацией, состав программных средств на-

зывают программной конфигурацией. Между программами, так же как и между

физическими узлами и блоками компьютера, имеется тесная взаимосвязь. Она

выражается в том, что многие программы, выполняя свою работу, опираются на

возможности программ более низкого уровня, т.е. имеет место определенная

иерархия программных средств (рис. 4.1).

Технические средства компьютера

ROM-BIOS

Драйверы

Ядро операционной системы

Прикладная программа

Рис. 4.1 Схема взаимодействия прикладной программы с операционной систе-

мой, ROM-BIOS и техническими средствами компьютера

Как правило, прикладная программа напрямую не обращается к техниче-

ским средствам компьютера; для этой цели она использует интерфейс приклад-

ного программирования, обеспечиваемый операционной системой, которая, в

свою очередь, обращается к функциям, реализованным драйверами и BIOS [35].

Однако в ряде случаев разработчики, сообразуясь с требованиями быстродейст-

вия программы, предпочитают непосредственную работу с аппаратурой (в MS-

DOS таким устройством чаще всего является видеоадаптер).

4.1.1 Базовая система ввода-вывода (ROM-BIOS)

Нижний уровень (слой) программной иерархии, непосредственно приле-

гающий к техническим средствам ПК, представлен базовой системой ввода-

вывода, записанной в ПЗУ (БСВВ-ПЗУ, ROM-BIOS)

. В состав ROM-BIOS

входят следующие типы программ:

− программа самотестирования ПК после включения питания (POST −

Power On Self Test);

− программы управления стандартными устройствами ПК: CON − консо-

лью (дисплеем и клавиатурой), PRN − построчно-печатающим устрой-

ством (принтером), CLOCK$ − системными часами, блочным устройст-

вом загрузки (магнитным диском) и некоторыми другими;

− ряд сервисных программ.

Программа POST выполняет две основные функции: 1) проверяет наличие

и работоспособность основных устройств ПК; 2) отыскивает на диске, загружа-

ет в ОЗУ и передает управление программе загрузки (загрузчику) операционной

системы.

Тестирование, выполняемое программой POST, осуществляется по прин-

ципу “расширяемого диагностического ядра”, т.е. сначала проверяется работо-

способность минимального набора аппаратуры, представляющего так называе-

мое ядро: ЦП и его ближайшее “окружение” (вспомогательные микросхемы,

ПЗУ, область младших адресов ОЗУ), а затем − остальных компонентов систе-

мы (клавиатура, видеоадаптер, контроллер НГМД, ОЗУ в полном объеме).

Часть этой проверки программа POST выполняет еще до того как будет ини-

циализирована видеосистема компьютера, поэтому об обнаружении неисправ-

ностей она оповещает серией звуковых сигналов различной длительности, изда-

ваемых динамиком (PC speaker), размещенным в системном блоке. После про-

верки видеосистемы программа POST выводит диагностические сообщения на

экран монитора.

По окончании тестирования аппаратуры выполняется инициализация таб-

лицы векторов прерываний, которая находится в самом начале ОЗУ. Каждая за-

пись в таблице представлена вектором прерываний − парой машинных слов,

образующих адрес обработчика прерываний

Примечание. Поскольку вектор прерываний имеет длину, равную четы-

рем байтам, легко определить местоположение вектора прерываний в таблице,

зная его номер. Например, вектор прерывания 05h, отвечающего за печать со-

держимого экрана, находится в ячейке таблицы со смещением 20 (5 × 4 = 20).

Используемый способ хранения адресов обработчиков прерываний позволяет

легко перенастраивать их адреса и, таким образом, изменять стандартную обра-

ботку прерываний, если это потребуется. Для этого необходимо написать соб-

В настоящее время для хранения программ и данных BIOS все чаще используют микро-

схемы флэш-памяти (flash memory), представляющие собой разновидность ЭСППЗУ.

Некоторые записи в таблице векторов прерываний содержат адреса, ссылающиеся не на

обработчики прерываний, а на другие таблицы (структуры), содержащие необходимую

информацию. Например, в записи с номером 1Eh содержится адрес таблицы с параметра-

ми инициализации дисковода, а в записи с номером 1Fh − адрес таблицы знакогенерато-

ра.

ственную программу с функциями, отличными от тех, что реализует стандарт-

ный обработчик, загрузить ее машинный код в некоторую область ОЗУ, а затем

в соответствующей записи таблицы векторов прерываний установить началь-

ный адрес этой области.

Заключительной частью процедуры POST является запуск программы на-

чальной загрузки (ROM Bootstrap Routine), которая пытается считать в ОЗУ со-

держимое сектора с адресом 0-0-1 на устройстве загрузки. Этот сектор называ-

ется сектором загрузки (Boot Sector) для дискеты (A:) или главной записью за-

грузки (Master Boot Record) для первого винчестерского диска (C:). Сектор за-

грузки содержит небольшую (поскольку его размер всего 512 байт) программу

− загрузчик ОС − и необходимые для ее работы данные.

Главная запись загрузки винчестерского диска также содержит неболь-

шую программу, но ее задачей является не загрузка ОС, а сканирование табли-

цы логических разделов диска (Partition Table) с целью отыскания информации

об активном разделе, содержащем ОС.

Как минимум двухступенчатая схема загрузки обеспечивает достаточную

гибкость системе, позволяя загружать на компьютере различные типы ОС при

одной той же ROM-BIOS. Более подробно логическая структура магнитного

диска рассмотрена ниже при изложении информации о файловой системе.

Программы, записанные в ROM-BIOS, достаточно эффективно управляют

стандартными устройствами ПК. Однако они взаимодействуют с устройствами

на низком уровне, выполняя лишь простые операции ввода-вывода (например,

записывают данные в сектора на диске, но не могут организовать из них фай-

лы). В отличие от них, операционная система обеспечивает возможности более

высокого уровня. В частности, воспользовавшись функциями операционной

системы можно работать с устройствами и файлами, используя их имена, а не

самостоятельно работать с секторами диска, отслеживая их принадлежность

тому или иному файлу.

4.1.2 Драйверы устройств ввода-вывода

Драйверы устройств ввода-вывода образуют своеобразную надстройку

над программами (сервисами), записанными в ROM-BIOS. Строго говоря,

драйверы устройств являются частью ядра ОС − резидентного, т.е. постоянно

находящегося в ОЗУ, набора программных модулей системы. Драйверы обес-

печивают стандартный интерфейс ядра ОС с устройствами ввода-вывода, ис-

пользуя для этой цели программы ROM-BIOS.

Драйверы устройств выполняют следующие основные функции:

− обработка сигнала прерывания;

− прием и обработка запроса к устройству;

− преобразование запроса в последовательность команд управления уст-

ройством.

В качестве примера рассмотрим упрощенный процесс записи данных в

файл на гибком диске в операционной системе DOS [36]. Программа, желаю-

щая выполнить эту операцию, формирует запрос к системе с помощью функции

40h прерывания 21h. DOS преобразует этот запрос в несколько команд драйвера

диска (рис. 4.2).

Первая команда направлена на отыскание свободного места на диске, для

чего драйверу требуется прочитать специальную структуру, хранящую инфор-

мацию о распределении дискового пространства и называемую таблицей раз-

мещения файлов (FAT − File Allocation Table). При наличии свободного места

на диске DOS дает драйверу вторую команду для записи данных в файл. Затем

DOS должна обновить дату и время последнего доступа к файлу, а также длину

файла в структуре, называемой каталогом диска, для чего подает драйверу тре-

тью команду. Наконец, DOS обновляет содержимое FAT, отмечая в ней запи-

санную порцию данных и одновременным связывая ее с начальным содержи-

мым файла, для чего драйверу подается четвертая команда.

В свою очередь, драйвер, получив команду от DOS, вызывает соответст-

вующие программы ROM-BIOS (на рис. 4.2 этот “слой” не показан), порождая

каждый раз с их помощью целый “каскад” низкоуровневых команд управления

НГМД [37]. Организация управления устройством на этом уровне чрезвычайно

затруднительна, поэтому DOS и, в частности, драйвер диска существенно об-

легчают эту задачу.

Рис. 4.2 Упрощенная иллюстрация реализации запроса записи в файл

Компания Microsoft, основной поставщик операционных систем для IBM

PC, установила ряд стандартных правил (соглашений), используемых при раз-

работке драйверов новых устройств и их включении в состав системы. Эти пра-

вила определяют как структуру нового драйвера, так и способ его подключения

к уже существующим драйверам системы. В DOS каждый драйвер имеет сле-

дующие пять частей:

Программа

INT 21h

MS-DOS

Записать данные

в конец файла

Драйвер

диска

1. Считать FAT.

2. Записать данные в файл на диск.

3. Обновить запись каталога диска.

4. Обновить FAT.

НГМД

− заголовок драйвера, содержащий информацию о самом драйвере и

указатель на следующий драйвер в цепочке;

− область памяти для хранения локальных данных и процедур;

− процедура стратегии, которая при первом вызове драйвера сохраняет

адрес заголовка запроса в области локальных данных;

− процедура прерывания, использующаяся DOS для вызова драйвера и

обрабатывающая заголовок запроса, чтобы передать хранящуюся в нем

информацию в программы обработки команд;

− программы обработки (обработчики) команд устройства, осуществ-

ляющие фактическое управление устройством.

Каждый драйвер содержит имя соответствующего ему устройства, по ко-

торому DOS находит нужный ей драйвер среди других установленных драйве-

ров, образующих общий связанный список

. Первым в этом списке располага-

ется драйвер фиктивного устройства NUL:, содержащий указатель на следую-

щий драйвер в списке (устройство CON:), тот, в свою очередь, содержит указа-

тель на следующий драйвер (устройство AUX:) и т.д. Указатель последнего

драйвера содержит значение –1, означающее конец списка.

Использование динамической структуры данных “связанный список” уп-

рощает для DOS выполнение процедур поиска существующего и установки но-

вого драйверов. Поиск нужного драйвера всегда начинается с начала списка,

при этом проверяется соответствующее драйверу имя устройства. Переход к

следующему элементу списка осуществляется по указателю, представляющему

фактически адрес следующего элемента. Установка нового драйвера выполня-

ется также легко − перенастройкой указателей в соответствующих элементах

связанного списка. Столь же просто выполняется и замена существующего

драйвера новым − более совершенным; для этого необходимо оборвать “связь”

с прежним стандартным драйвером, перенаправив указатель на новый драйвер.

Как отмечалось выше, стандартный драйвер устройства в DOS имеет в

своем составе две процедуры: стратегии и прерывания. Они необходимы для

реализации двухступенчатой схемы вызова драйвера устройства. Согласно этой

схеме, DOS вызывает драйвер дважды. При этом сначала управление передает-

ся процедуре стратегии, а затем − процедуре прерывания.

Процедура стратегии осуществляет так называемую инициализацию драй-

вера, подготавливая его к вызову процедуры прерывания. В частности, проце-

дура стратегии сохраняет адрес заголовка запроса в области локальных данных.

Процедура прерывания фактически начинает работу драйвера, извлекая инфор-

мацию из сохраненного заголовка запроса и передавая управление соответст-

вующему обработчику команд.

Связанный список − это динамическая структура данных, в которой каждый элемент со-

держит указатель на следующий элемент (т.е. фактически его адрес). Существуют также

двусвязные списки, у которых каждый элемент имеет два указателя: на следующий и на

предшествующий элементы списка, что позволяет свободно перемещаться по списку в

обоих направлениях (в начало и конец списка).

Написание драйверов устройств ввода-вывода, наряду с разработкой опе-

рационных систем, компиляторов и интерпретаторов языков программирова-

ния, составляют предмет системного программирования − одной из интерес-

нейших и сложнейших отраслей программирования вообще. К сожалению,

рамки данного пособия не позволяют рассмотреть данные вопросы более под-

робно.

Ниже кратко описана структура MS-DOS − исторически первой операци-

онной системы для IBM PC, имевшей (до появления Windows) чрезвычайно

широкое распространение. Достаточно отметить, что DOS доминировала на

рынке операционных систем для IBM PC около 15 лет, начиная c 1981 года

(версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.22). Кроме того, как справедливо отмеча-

ется в [38], знание основ DOS способствует более глубокому пониманию прин-

ципов функционирования программного обеспечения последующих поколений.

4.1.3 Структура MS-DOS

Одно из популярных определений операционной системы [38] представ-

ляет ее как “сложный комплекс программ, предназначенный для эффективного

управления ресурсами компьютера”, где под ресурсами понимаются процессор,

оперативная память, устройства ввода-вывода, программы, данные и т.д. Все

ресурсы можно классифицировать как: неразделяемые (доступные в каждый

момент времени только одной программе или пользователю) и разделяемые

(доступные сразу нескольким программам или пользователям).

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от

типа ресурса задач:

− планирование ресурса, т.е. определение кому, когда, а для разделяе-

мых (shareable) ресурсов − и в каком количестве необходимо выделить

данный ресурс;

− отслеживание состояния ресурса, т.е. обеспечение оперативной ин-

формации о том, занят или свободен ресурс, а для разделяемых ресур-

сов − какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Основными составными частями DOS являются [39]:

1. Модуль расширения ROM-BIOS, представленный файлом IO.SYS (MS-

DOS) или IBMBIO.COM (PC-DOS)

2. Модуль обработки прерываний, называемый также базовым модулем

DOS и представленный файлом MSDOS.SYS (MS-DOS) или

IBMDOS.COM (PC-DOS).

На начальном этапе развития MS-DOS имела несколько “клонов”, т.е. операционных сис-

тем почти тождественных по структуре и функциям. Среди них наибольшую известность

получили системы PC-DOS (первоначально распространялась фирмой IBM по догово-

ренности с Microsoft) и DR-DOS (развивалась фирмой Digital Research). Следует отметить,

что в основе всех трех систем лежит операционная система DOS, разработанная Тимом

Патерсоном в 1980 году.

3. Командный процессор или интерпретатор командного языка, пред-

ставленный файлом COMMAND.COM.

4. Внешние команды и внешние, или загружаемые, драйверы, представ-

ленные файлами с расширением имени .COM, .EXE и .SYS.

Модуль расширения ROM-BIOS

Этот модуль является надстройкой над ROM-BIOS, модифицируя и/или

дополняя ее возможности [40]. При загрузке MS-DOS данный модуль позволяет

как осуществлять логическую замену драйверов, хранящихся в ROM-BIOS, так

и подключать новые драйверы. Необходимость в этих функциях обусловлена

довольно частой потребностью в изменении аппаратной конфигурации персо-

нального компьютера (например, при подключении нового периферийного уст-

ройства) или использовании имеющихся устройств нестандартным образом.

Драйверы могут находиться как внутри модуля расширения ROM-BIOS

(файл IO.SYS), так и вне его − в отдельных файлах. В первом случае драйверы

называются внутренними (основными), а во втором − внешними (устанавливае-

мыми). Кроме внутренних драйверов в модуле расширения ROM-BIOS содер-

жится ряд системных таблиц и блоков.

Внутренние драйверы подключаются автоматически при загрузке MS-

DOS, а внешние − по указаниям в файле конфигурации системы CONFIG.SYS.

Если файл CONFIG.SYS отсутствует, то никакие внешние драйверы к системе

не подключаются, а MS-DOS использует так называемые параметры по умолча-

нию.

Модуль обработки прерываний

Этот модуль является центральным компонентом MS-DOS, обеспечи-

вающим выполнение основных функций операционной системы, связанных с

управлением ресурсами компьютера. Управление устройствами ввода-вывода

реализовано в данном модуле на уровне организации запросов к драйверам (на

рис. 4.2 модуль представлен блоком “MS-DOS”). Именно этот модуль содержит

бóльшую часть того, что называется файловой системой MS-DOS (см. ниже).

Обращение к функциям данного модуля возможно только через меха-

низм прерываний, который использует большинство программ, выполняющих-

ся под управлением MS-DOS. Обработку поступивших прерываний осуществ-

ляют специальные программы − обработчики прерываний верхнего уровня, ко-

торые, в свою очередь, могут генерировать прерывания нижнего уровня, т.е.

обращения к функциям ROM-BIOS и модуля расширения ROM-BIOS.

Командный процессор

Этот модуль обеспечивает интерфейс, т.е. способ и программные средст-

ва взаимодействия пользователя с системой. Пользователь подает MS-DOS ко-

манды, вводя их условные обозначения (обычно сокращения английских глаго-

лов, определяющих то или иное действие) с клавиатуры, а командный процес-

сор их интерпретирует, т.е. выполняет. Помимо этого на заключительном этапе

загрузки MS-DOS командный процессор выполняет файл автозапуска AUTO-

EXEC.BAT, в котором могут содержаться команды, выполнение которых требу-

ется при каждом запуске системы.

Командный процессор состоит из двух частей − резидентной и транзит-

ной. После загрузки MS-DOS резидентная часть, содержащая обработчики трех

важных прерываний (22h−24h) и код подзагрузки транзитной части, постоянно

хранится в оперативной памяти компьютера. Обработчики обслуживают сле-

дующие особые ситуации [39]:

− завершение задачи, т.е. окончание выполнения прикладной програм-

мы;

− прерывание задачи по нажатию пользователем комбинации клавиш

Ctrl+Break;

− возникновение “фатальной” (неисправимой) ошибки при выполнении

задачи.

Следует отметить, что указанные три прерывания, в отличие от прочих

прерываний верхнего уровня, обслуживаемых MS-DOS, могут обрабатываться в

самой прикладной программе, которая в соответствующих векторах прерыва-

ний устанавливает адреса собственных обработчиков.

Транзитная часть командного процессора, находясь в оперативной памя-

ти, может перекрываться (т.е. разрушаться) выполняемыми программами, а за-

тем восстанавливаться путем считывания с диска. Транзитная часть содержит

программный код для исполнения так называемых внутренних команд MS-

DOS, а также загрузчик программ в оперативную память для выполнения.

Перечень внутренних (встроенных) команд MS-DOS достаточно ограни-

чен, так как в нем представлены только самые общие и часто выполняемые ко-

манды (COPY, TYPE, DELETE, RENAME, DIR, CHDIR, RMDIR и некоторые

другие). В то же время, состав внешних (транзитных) команд не фиксирован,

хотя с дистрибутивным (установочным) набором MS-DOS поставляется ограни-

ченное число соответствующих файлов. Принятый в MS-DOS подход позволяет

рассматривать любую программу, разработанную для выполнения в среде MS-

DOS, как внешнюю команду, расширяющую базовый перечень внешних команд

для данной версии системы.

Внешние команды и загружаемые драйверы

Внешние команды представляются именами программных файлов, кото-

рые имеют расширение .COM или .EXE. В качестве примера можно указать

следующие внешние команды:

− FDISK − разбиение жестких (физических) дисков на логические диски;

− FORMAT − форматирование магнитных дисков;