SistemnoePO
|
                                                                                                                                                                                А.В.Гордеев А.Ю.Молчанов СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Электронный вариант книги издательства «Питер» Санкт–Петербург Челябинск ЮУрГУ Каф. Автоматика и управление 2002 Предисловие Настоящий учебник предназначается в первую очередь студентам техниче- ских вузов, хотя может быть востребован и обычными подготовленными пользова- телями, желающими углубить свои познания в области системного программного обеспечения. Согласно Государственному образовательному стандарту, по которому ведёт- ся обучение студентов, поступивших в вузы до 2000 г., в рамках дисциплины «Сис- темное программное обеспечение», относящейся к обязательным специальным дисциплинам учебного плана по направлению «Информатика и вычислительная техника», студент должен изучить следующие обязательные разделы: «…назначе- ние, функции и структура операционной системы (ОС); понятие процесса; управ- ление процессами, способы диспетчеризации процессов; понятие ресурса, виды ре- сурсов, управление ресурсами; управление памятью; устройства, виды устройств, драйверы устройств, устройства в MS-DOS; файловая система на диске, струк- тура логического диска в MS-DOS; синхронизация процессов, семафоры, сообще- ния, использование семафоров для решения задач взаимоисключения и синхрониза- ции; тупики, способы борьбы с тупиками; загрузка и настройка ОС, файлы кон- фигурирования MS-DOS, основное команды MS-DOS; обзор современных ОС; трансляторы; формальные языки и грамматики, типы грамматик; вывод цепо- чек; конечный и магазинный автоматы, распознаватели и преобразователи, по- строение автомата по заданной грамматике; структура компиляторов и интер- претаторов, лексический, синтаксический и семантический анализаторы, генера- тор кода; распределение памяти, виды переменных; статическое и динамическое связывание; загрузчики; функции загрузчика; настраивающий и динамический за- грузчики; подключение библиотек». В новой редакции Государственного образовательного стандарта, который вступил в силу в 2000 г. и относится к поколению студентов, поступивших в вузы осенью 2000 г. и позже, несколько изменено основное содержание этой дисцип- лины. В частности, в стандарте записано, что в рамках дисциплины «Системное программное обеспечение» должны изучаться следующие обязательные разделы: 2 «...пользовательский интерфейс операционной среды; управление задачами; управ- ление памятью; управление вводом/выводом; управление файлами; пример совре- менной операционной системы; программирование в операционной среде; ас- семблеры; мобильность программного обеспечения; макроязыки; трансляторы; формальные языки и грамматики, типы грамматик; вывод цепочек; конечный и магазинный автоматы, распознаватели и преобразователи, построение автома- та по заданной грамматике; структура компиляторов и интерпретаторов, лек- сический, синтаксический и семантический анализаторы, генератор кода; распре- деление памяти, виды переменных; статическое и динамическое связывание; за- грузчики; функции загрузчика; настраивающий и динамический загрузчики; под- ключение библиотек». Таким образом, мы можем констатировать, что в основном в дисциплине «Системное программное обеспечение» должно уделяться внимание операцион- ным системам, средам и системам программирования. Именно в таком ключе в ос- новном и строится настоящий учебник, поскольку предполагается, что его читате- лями, прежде всего, будут студенты, обучающиеся по специальностям, относя- щимся к направлению «Информатика и вычислительная техника». Учебный мате- риал, ставший основой для настоящего учебника, уже в течение нескольких лет изучается студентами специальности 22.01.00 в Санкт-Петербургском государст- венном университете аэрокосмического приборостроения. Другими словами, по су- ществу, в основу учебника лег расширенный конспект лекций по дисциплине «Системное программное обеспечение». Эта дисциплина изучается в течение двух семестров. В первом семестре рассматриваются операционные системы (принципы их построения и функционирования, вопросы создания параллельных взаимо- действующих задач, выполняющихся в мультизадачных операционных системах), а во втором – формальные грамматики, трансляторы и системы программирования. Поэтому книга разбита на две крупные части. Эти две части связаны между собой не потому, что так построен план изучения дисциплины. Материал, рассматривае- мый в каждой из частей учебника, тесно связан с вопросами, изучаемыми в другой её части. Таким образом, детальное изучение материала любой части книги требу- 3 ет, по крайней мере, знакомства с основными понятиями всего учебника. Так, на- пример, изучение структуры и технических аспектов работы компиляторов невоз- можно без знания принципов распределения памяти, которые относятся к вопросам построения операционных систем. Именно поэтому эти два крупных раздела объе- динены авторами в одну книгу и совместно представляются вниманию читателей. Помимо общетеоретических вопросов в учебнике рассмотрены и отдельные практические вопросы, описаны конкретные реализации различных системных программ. В первой части учебника, прежде всего, излагаются основные понятия ОС, принципы их построения и функционирования. В последние годы практически по- всеместно ПК работают под управлением современных 32-битовых ОС, исполь- зующих аппаратные возможности микропроцессоров для создания и организации эффективных и защищённых вычислений. Мы посчитали необходимым рассмот- реть в первой части учебника эти вопросы. Наиболее популярными ОС являются системы Windows 95/98, Windows NT 4.0, начинается переход к Windows ME и семейству ОС Windows 2000 компании Microsoft. По этим ОС имеется огромное количество самых разнообразных публи- каций, в том числе и учебных материалов, объём которых порой очень велик. В то же время по остальным ОС публикаций существенно меньше. Поэтому в первой части настоящего учебного пособия мы в качестве примеров операционных систем и сред кратко рассматриваем такие ОС, как OS/2 Warp, UNIX и Linux, QNX. Есте- ственно, что отдельные вопросы иллюстрируются и на примере популярных ОС Windows 95/98 и Windows NT 4.0. Во второй части учебника рассматриваются как общие вопросы, связанные с построением трансляторов, так и методы их практической реализации от прими- тивных распознавателей текста до законченных систем программирования. Прак- тическая реализация компиляторов и интерпретаторов рассматривается с точки зрения современных широко распространенных языков программирования вы- сокого уровня, таких как Pascal, С и C++. 4 Кратко рассматриваются также практические вопросы построения приклад- ных программ на основе архитектуры «клиент–сервер» и трехзвенной архитекту- ры, ориентированной на работу с серверами баз данных и серверами приложений. Эти вопросы затрагиваются не с точки зрения технологии их реализации (такие сведения можно найти в появившейся сейчас специализированной литературе) в той или иной ОС, а со стороны методов разработки соответствующих прикладных программ с помощью той или иной системы программирования. Для более деталь- ного знакомства с конкретными реализациями читатели могут воспользоваться приводимыми авторами ссылками на литературные источники или на соответст- вующие технические публикации в глобальной сети Интернет. Таким образом, данный учебник должен быть полезен не только тем, кто хо- чет детально изучить системное программное обеспечение, но и тем, кто собирает- ся сам разработать отдельные компоненты, в том числе отдельные системные ути- литы, распознаватели и интерпретаторы команд, компоновщик или транслятор с некоторого языка, создать комплекс параллельно исполняющихся взаимодейст- вующих программ. В учебнике рассматриваются вопросы, которые полезно знать в любом случае, если разработчик прикладной программы имеет дело с некоторым входным языком (которым может быть далеко не только язык программирования, но и любой другой язык команд, в том числе заданный пользователем или опреде- ленный в некоторой прикладной области). Примеры систем программирования, которые рассматриваются в этом учеб- нике, предназначены для работы в среде перечисленных выше операционных сис- тем. Фрагменты программ, приведенные в книге, написаны на языках программи- рования высокого уровня Pascal и С. В этом коротком предисловии мы, как авторы этой книги, хотим ещё выска- зать самые теплые слова благодарности своим родным и близким за их долгое тер- пение, доброжелательность и сердечную заботу в течение всего времени подборки материалов, написания книги и её «бесконечного» улучшения, благодаря которым только и мог появиться на свет этот труд, вынужденно оторвавший нас на некото- рое время от домашних забот и хлопот. Хочется поблагодарить и Гордеева В. А. за 5 конструктивную критику и помощь в подготовке отдельных программ. Авторы признательны также сотрудникам издательства «Питер» Васильеву А. В. и Ваули- ной Е. Ю. за их терпеливое и внимательное отношение в процессе подготовки тек- ста книги, его обработки и корректуры. Наше взаимное уважение и сотрудничество позволили довести учебный материал книги «до ума», хотя это и не всегда удава- лось сделать в заранее оговоренные сроки. От издательства Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция). Мы будем рады узнать ваше мнение! Подробную информацию о наших книгах вы найдете на Web-сайте издатель- ства http://www.piter.com. Часть 1 Операционные системы и среды В англоязычной технической литературе термин System Software (системное программное обеспечение) означает программы и комплексы программ, являю- щиеся общими для всех, кто совместно использует технические средства компью- тера, и применяемые как для автоматизации разработки (создания) новых про- грамм, так и для организации выполнения программ уже существующих. С этой точки зрения программное обеспечение может быть разделено на следующие пять групп: 1 Операционные системы (ОС). 2 Системы управления файлами (СУФ). 3 Интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС и про- граммные среды. 4 Системы программирования. 5 Утилиты. Рассмотрим вкратце эти группы системных программ. 6 1 Под операционной системой (ОС) обычно понимают комплекс управляю- щих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как ин- терфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с дру- гой – предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычисли- тельной системы и организации надёжных вычислений. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС. На рис.1 изображена обобщённая структура программного обеспечения вы- числительной системы. Рис.1 Обобщённая структура программного обеспечения вычислительной системы 7 Видно, что ни один из компонентов программного обеспечения, за исключе- нием самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователи взаимодействуют со своими программами через интерфейс ОС. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала прохо- дят через ОС. Основными функциями, которые выполняют ОС, являются следующие: ♦приём от пользователя (или от оператора системы) заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке – в виде директив (команд) опера- тора или в виде указаний (своеобразных команд) с помощью соответствующего манипулятора (например, с помощью «мыши»), – и их обработка; ♦приём исполнение программных запросов на запуск, приостановку, оста- новку других программ; ♦загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ; ♦инициация программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу); ♦идентификация всех программ и данных; ♦обеспечение работы систем управления файлами (СУФ) и/или системы управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения; ♦обеспечение режима мультипрограммирования, то есть выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающее видимость их одновремен- ного исполнения; ♦обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями вво- да/вывода; ♦удовлетворение жёстким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для соответствующих ОС); ♦распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти; ♦планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными страте- гией и дисциплинами обслуживания; 8 ♦организация механизмов обмена сообщениями и данными между выпол- няющимися программами; ♦защита одной программы от влияния другой; обеспечение сохранности дан- ных; ♦предоставление услуг на случай частичного сбоя системы; ♦обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользо- ватели готовят свои программы. 2 Назначение системы управления файлами – организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Именно благодаря системе управ- ления файлами вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указа- нием имени файла и записи в нём. Как правило, все современные ОС имеют соот- ветствующие системы управления файлами. Однако выделение этого вида систем- ного программного обеспечения в отдельную категорию представляется целесооб- разным, поскольку ряд ОС позволяет работать с несколькими файловыми система- ми (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (дополнительную систему управления файлами можно установить), и в этом смысле они самостоятельны. Бо- лее того, можно назвать примеры простейших ОС, которые могут работать и без файловых систем, а значит, им необязательно иметь систему управления файлами, либо они могут работать с одной из выбранных систем. Надо, однако, понимать, что любая система управления файлами (СУФ) не существует сама по себе – она разработана для работы в конкретной ОС и с конкретной файловой сис- темой. Можно сказать, что всем известная файловая система FAT (file allocation table)1 имеет множество реализаций как система управления файлами, например, FAT-16 для самой MS-DOS, super-FAT для OS/2, FAT для Windows NT и т. д. Дру- гими словами, для работы с файлами, организованными в соответствии с некото- рой файловой системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствую- 1 Здесь и далее без указания на источник заимствования приводятся английские эквиваленты слов и словосочетаний 9 щая система управления файлами; и эта система управления файлами будет рабо- тать только в той ОС, для которой она и создана. Для удобства взаимодействия с ОС могут использоваться дополнительные интерфейсные оболочки. Их основное назначение – либо расширить возможности по управлению ОС, либо изменить встроенные в систему возможности. В качестве классических примеров интерфейсных оболочек и соответствующих операцион- ных сред выполнения программ можно назвать различные варианты графического интерфейса X Window в системах семейства UNIX (например, K Desktop Environment в Linux), PM Shell или Object Desktop в OS/2 с графическим интерфей- сом Presentation Manager; наконец, можно указать разнообразные варианты интер- фейсов для семейства ОС Windows компании Microsoft, которые заменяют Explorer и могут напоминать либо UNIX с его графическим интерфейсом, либо OS/2, либо MAC OS. Следует отметить, что о семействе ОС компании Microsoft с общим ин- терфейсом, реализуемым программными модулями с названиями Explorer (в файле system.ini, который находится в каталоге Windows, имеется строка SHELL=EXPLORER.EXE), всё же можно сказать, что заменяемой в этих системах является только интерфейсная оболочка, в то время как сама операционная система остаётся неизменной; она интегрирована в ОС. Другими словами, операционная среда определяется программными интерфейсами, то есть API (application program interface). Интерфейс прикладного программирования (API) включает в себя управление процессами, памятью и вводом/выводом. Ряд операционных систем могут организовывать выполнение программ, соз- данных для других ОС. Например, в OS/2 можно выполнять как программы, соз- данные для самой OS/2, так и программы, предназначенные для выполнения в сре- де MS-DOS и Windows 3.x. Соответствующая операционная среда организуется в операционной системе в рамках отдельной виртуальной машины. Аналогично, в системе Linux можно создать условия для выполнения некоторых программ, напи- санных для Windows 95/98. Определёнными возможностями исполнения программ, созданных для иной операционной среды, обладает и Windows NT. Эта система по- зволяет выполнять некоторые программы, созданные для MS-DOS, OS/2 1.x, Win- 10 dows 3.x. Правда, в своём последнем семействе ОС Windows 2000 разработчики решили отказаться от поддержки возможности выполнения DOS–программ. Наконец, к этому классу системного программного обеспечения следует отне- сти и эмуляторы, позволяющие смоделировать в одной операционной системе ка- кую-либо другую машину или операционную систему. Так, известна система эму- ляции WMWARE, которая позволяет запустить в среде Linux любую другую ОС, например, Windows. Можно, наоборот, создать эмулятор, работающий в среде Windows, который позволит смоделировать компьютер, работающий под управле- нием любой ОС, в том числе и под Linux. Таким образом, термин операционная среда означает соответствующий ин- терфейс, необходимый программам для обращения к ОС с целью получить опреде- лённый сервис1– выполнить операцию ввода/вывода, получить или освободить участок памяти и т. д. 3 Система программирования на рис.1 представлена такими компонентами, как транслятор с соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Не бывает самостоятельных (оторванных от ОС) сис- тем программирования. Любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС. Например, одна из популярных систем программирования на языке C/C++ фирмы Watcom для OS/2 позволяет создавать программы и для самой OS/2, и для DOS, и для Win- dows. В том случае, когда создаваемые программы должны работать совсем на дру- гой аппаратной базе, говорят о кросс-системах. Так, для ПК на базе микропроцес- соров семейства i80x86 имеется большое количество кросс-систем, позволяющих создавать программное обеспечение для различных микропроцессоров и микро- контроллеров. 4 Наконец, под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно как обслуживать саму операционную систему, так и под- 1 Сервис (service)–обслуживание, выполнение соответствующего запроса 11 готавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить неко- торые другие работы, связанные с обслуживанием вычислительной системы. К утилитам следует отнести и программу разбиения накопителя на магнитных дисках на разделы, и программу форматирования, и программу переноса основных сис- темных файлов самой ОС. К утилитам относятся также и известные комплексы программ фирмы Symantec, носящие имя Питера Нортона (создателя этой фирмы и соавтора популярного набора утилит для первых IBM PC). Естественно, что утили- ты могут работать только в соответствующей операционной среде. |