4.2. Характеристика аппаратной платформы, общего программного обеспечения, технологической среды реализации и среды разработки автоматизированного рабочего места

Прототип АРМ реализован на ПК со следующими характеристиками:

• процессор Pentium III с тактовой частотой 3ГГц;

• оперативная память 2 Гб;

• свободное пространство на жестком диске 300 Гб;

• графический адаптер SVGA с видеопамятью 1 Гб и поддержкой DirectX9 (поддерживаемое разрешение 1024*768, режим - High Color);

• 17- дюймовый цветной монитор SVGA.

4.2.1. Выбор операционной системы

Назначение любой системы обработки данных состоит в том, чтобы превращать данные в более полезную информацию. Для достижения этой цели существует вычислительная система – взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации. Очень важно, чтобы все компоненты этой системы использовались эффективно.

Операционная система компьютера представляет собой комплекс программ, организующих вычислительный процесс в вычислительной системе.

Сегодня существует большое количество различных ОС, различающихся по типам, способам реализации, специфике решаемых задач, используемым аппаратным средствам и функциональным возможностям.

ОС выполняет две группы функций:

1) предоставление пользователю вместо реальной аппаратуры компьютера некой расширенной машины, с которой удобнее работать и которую легче программировать;

2) повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

Для решения поставленных задач можно обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера, принципов функционирования его электронных блоков и устройств. Например, при работе с диском пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов с определенными именами. Файл, готовый к выполнению ОС, называется исполняемым файлом. Такие технические детали, как используемая при записи информации на диск частотная модуляция или положение магнитной головки чтения/записи, не представляют интереса.

Именно ОС скрывает особенности функционирования аппаратуры, беря на себя рутинные операции, связанные с управлением аппаратными устройствами, и предоставляя возможность простой и удобной работы.

ОС не только предоставляет удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера. К ресурсам вычислительной системы относят такие ее средства, которые могут быть выделены процессу обработки данных.

Ресурсы вычислительной системы можно разбить на первичные – аппаратные ресурсы и вторичные – логические, программные и информационные ресурсы.

К числу первичных ресурсов современных вычислительных систем относятся процессоры, основная память, диски и др., за которыми стоят реальные аппаратные средства. Они являются наиболее значимыми для вычислительного процесса.

Вторичные ресурсы связаны с техническими устройствами косвенно, так как являются логическими, виртуальными. Однако их введение – это необходимая абстракция, удобная для практической реализации программных решений.

Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования составляет важную часть функций любой ОС. Критерии эффективности, в соответствии с которыми ОС организует управление ресурсами, могут различаться. Например, в одних системах важна пропускная способность вычислительной системы, а в других – оперативное управление ресурсами. Последнее достаточно актуально для эксплуатации разрабатываемого АРМ.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

1) планирование ресурса – определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может быть разбит на части) следует выделить данный ресурс;

2) удовлетворение запросов на ресурсы;

3) отслеживание состояния и учет использования ресурса – поддержание оперативной информации о занятости ресурса и распределенной его доли;

4) разрешение конфликтов между процессами, использующими один ресурс.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют внешний облик ОС в целом, включая характеристики их производительности, область применения и пользовательский интерфейс. Разработка и реализация алгоритмов управления ресурсами является очень важным этапом при проектировании системы.

Организация эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами – это весьма сложная задача, обусловленная в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. Анализ и определение оптимальных параметров обслуживания запросов является предметом исследований теории массового обслуживания. В рамках этой теории разработано множество методов, позволяющих планировать распределение критически важных ресурсов с учетом всевозможных стохастических и детерминированных событий.

Функции ОС обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам вычислительной системы. Такие группы именуются подсистемами. Наиболее важные – это подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования. Рассмотрим возложенные на них основные задачи.

Подсистема управления процессами генерирует системные информационные структуры, содержащие данные о потребностях в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ресурсах для каждой задачи.

Процесс (задача) – представляет собой базовое понятие современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа – это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными, процесс является динамическим объектом, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или ОС решает запустить программу на выполнение. Во многих современных ОС для обозначения минимальной единицы работы ОС используют термин “нить”, или “поток”, при этом изменяется суть термина “процесс”. Чтобы процесс выполнялся, ОС должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить необходимое количество процессорного времени и доступ к требуемым ресурсам других типов. В информационные структуры процесса часто включается дополнительная информация, характеризующая историю пребывания процесса в системе, его текущее состояние, степень привилегированности процесса.

В мультипрограммной ОС одновременно может существовать несколько процессов, часть из которых, называемая пользовательскими процессами, порождается по инициативе пользователей. Другие процессы инициализируются самой ОС для выполнения своих функций и называются системными.

Поскольку процессы довольно часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы вычислительной системы, на ОС ложится задача поддержания очередей заявок на такие ресурсы.

Не менее важной задачей ОС при управлении процессами является защита выделенных данному процессу ресурсов от вмешательства других процессов. Наиболее тщательной защиты требуют области оперативной памяти, хранящие коды и данные процесса. Однако защита ресурсов процесса вовсе не подразумевает, что ОС запрещает их совместное использование несколькими процессами одновременно.

ОС берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие процессу приостанавливать свое выполнение до наступления какого-либо события в системе, которым может быть, например, завершение операции ввода-вывода, осуществляемой ОС по его запросу.

В современных ОС не существует однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл. Для реализации сложных программных комплексов часто бывает необходимо организовать их работу в виде нескольких параллельно выполняющихся процессов, которые время от времени взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Так как ОС защищает ресурсы процессов от взаимного вмешательства и не позволяет одному процессу считывать и записывать данные в область памяти другого процесса, то для возможности их оперативного взаимодействия ОС должна иметь в своем составе особые средства, которые называют средствами межпроцессного взаимодействия.

Таким образом, подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми им системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами.

На подсистему управления памятью возложены очень важные функции, поскольку процесс может выполняться только в том случае, если его коды и данные находятся в оперативной памяти компьютера. Управление памятью включает в себя распределение имеющейся в вычислительной системе физической памяти между всеми существующими в данный момент в системе процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса. Существует довольно большое разнообразие алгоритмов распределения памяти, которые могут отличаться количеством выделяемых процессу областей памяти, степенью свободы границы этих областей и другими параметрами.

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных ОС является так называемая виртуальная память. Наличие в ОС механизма виртуальной памяти обеспечивает написание программы так, как будто для этой цели имеется однородная оперативная память большого объема, часто существенно превышающего объем имеющейся физической памяти. В действительности все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости частями отображаются в физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и диском подсистема виртуальной памяти осуществляет трансляцию виртуальных адресов, полученных в результате компиляции и компоновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти. Очень важно, что все операции по перемещению кодов и данных между оперативной памятью и дисками, а также трансляция адресов выполняются ОС корректно.

Защита памяти – это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от операций записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Как правило, в корректных программах нет обращений к памяти, используемой другими программами. Однако вследствие того, что в реальных программах часто содержатся ошибки, такие попытки могут предприниматься. Средства защиты памяти, реализованные в ОС, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти. Поэтому важными функциями ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти после их завершения, защита памяти, а также настройка адресов программ на конкретную область физической памяти.

В настоящее время к ОС предъявляется множество требований. Главными из них являются:

- производительность;

- надежность;

- защищенность;

- расширяемость;

- переносимость;

- совместимость;

- удобство.

По производительности ОС должна обладать таким временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС оказывает влияние множество факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие реализуемых ею функций, количество ресурсов, потребляемых самой ОС для выполнения поставленных перед ней задач, качество программного кода.

Требование по надежности ОС определяется архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством реализации, обратно пропорциональным количеству ошибок в комплексе программ, составляющих ОС.

В рамках защищенности система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемы, а приложения не должны иметь возможности наносить вред. Современная ОС защищает данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа и от попыток непреднамеренного повреждения этих данных.

Расширяемость ОС предполагает возможность внесения в нее дополнений и изменений, без нарушения целостности системы. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Такая архитектура позволяет в случае необходимости добавлять новые или удалять ненужные компоненты. Однако простота, с которой пользователь или системный программист сможет производить такие функциональные изменения, определяется совершенством и продуманностью применяемых при построении системы решений.

Переносимость ОС показывает, насколько легко она переносится с одного типа аппаратной платформы на другую. Как правило, ОС разрабатывается для определенного типа аппаратных платформ и перенос ее на платформу с принципиально иным строением может стать трудной задачей.

Совместимость ОС изменяется со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, добавлении новых и модификации имеющихся функций. Под требованием совместимости понимается сохранение возможности использования прикладных программ, написанных для “старой” или вообще другой ОС, в новой ОС.

Требование удобства означает, что средства ОС должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю. Современные ОС ориентированы на обеспечение пользователю максимально возможного удобства. Необходимым условием этого стало наличие у ОС графического пользовательского интерфейса и всевозможных мастеров – программ, автоматизирующих установку, настройку и эксплуатацию системы.

В интересах сравнения данных характеристик (требований) с целью выбора наиболее рациональной ОС рассмотрены три ОС: Windows XP; Vista; Windows 7 [6, 35, 44, 66]. Результаты сравнения основных характеристик данных ОС приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Результаты сравнения основных характеристик ОС Windows

	XP	Vista	7
Производительность	+	-	+++
Надежность	++	-	++
Защищенность	+	+	++
Расширяемость	+	+	+
Переносимость	+++	+	++
Совместимость	+++	-	+
Удобство	++	+	+

Анализ данной таблицы показывает, что наибольшее число плюсов набирает ОС Windows XP. Всего лишь на один плюс ей уступает Windows 7. Видно, что Windows XP наиболее «сильна» в вопросах переносимости, надежности, совместимости и удобства. В свою очередь, Windows 7 более производительна и защищена. Кроме того, данная ОС обладает рядом других достоинств:

- эффективной реализацией мультизадачного режима работы;

- высокой оперативностью обработки данных за счет использования только оперативной памяти (файл - подкачки не используется, и нет обращения к жесткому диску, что традиционно замедляет работу);

- невысокими требованиями к аппаратной платформе;

- более эффективной реализацией сетевого обмена данными (применение беспроводной технологии сетевого обмена данными IEEE 802.11).

Учитывая тот факт, что ОС Windows XP в настоящее время не поддерживается, в рамках разработанного прототипа использована Windows 7.