Лекция 5 Програмно осигуряване на компютърните системи

Лекция 5

Програмно осигуряване на компютърните системи

Решаването на разнообразните и сложни задачи в компютърните системи се осъществява чрез многократно изпълнение на множество елементарни аритметични и логически операции, включени в системата команди на микропроцесора. Всяка елементарна операция или поредица от команди се изпълнява от машината със задаване на определена команда (инструкция). Следователно, за машинното решаване на коя да е задача е необходимо предварително да бъде създадена поредица от подредени и свързани помежду си команди. Такава поредица от систематизирани и логически обвързани команди се нарича програма.

За да се реализират всички възможности на компютърните системи, са необходими сложни програми, които свеждат сложните информационни задачи до краен брой прости команди и инструкции от системата на микропроцесора (CPU). Тази част от компютърната комплектовка се нарича програмна част (Software). Нейното значение за развитието на компютърните системи е огромно. В момента разработването на програмни средства за компютърните системи представлява мощна индустрия – софтуерна индустрия, която дори надвишава по приходи и заетост хардуерната индустрия.

Видове програмно осигуряване

Системното програмно осигуряване е основен инструмент за управление на компютърните системи и осигурява унификация при работа с различни хардуерни системи. То обезпечава многоцелевото използване на компютрите. Следователно, програмите, включени в тази група, трябва слабо да зависят от конкретните цели, за които се използва компютърът. Към системното програмно осигуряване се отнасят програмите за организирация на изчислителните процеси в различни режими на работа, програмите, контролиращи изпълнението на задачите, програмите за диагностика и корегиране на възникващите неизправности при пренасянето на данните между различните устройства, програмите за контрол на заданията на потребителите и др. Най-общо, системното осигуряване е това, което се доставя на потребителя заедно с компютъра. Част от това програмно осигуряване е реализирано в самата апаратура на компютърните системи, в така наречената ROM памет. Друга част се зарежда преди продажбата на компютрите, но съществува и възможност за промяна и разширение на системното програмно осигуряване от потребителя в процеса на използване на компютрите.

Системното програмно осигуряваяне изпълнява задачи, общи за цялата изчислителна система. То осигурява средата, в която функционират приложните програми. Системното програмно осигуряване изгражда инфраструктурата за изпълнение на програмите на потребителя. Основна част от системното програмно осигуряване представлява операционната система. Останалите елементи от системното програмно осигуряване се наричат обслужващи програми (утилити). В голямата си част обслужващите програми са предназначени за изпълнение на действия, необходими за успешното функциониране на компютърните системи, но не са включени в операционната система. Те допълват операционната система. Предоставянето на определени функционални възможности на обслужващите програми опростява разработката на операционни системи. Това прави системното осигуряване по-гъвкаво и адаптивно към конкретните изисквания за работа на дадена компютърна система.

Приложното програмно осигуряване включва програмите, предназначени за решаване на конкретни задачи на потребителя, произтичащи от специфичните особености при използването на дадената машина. Така например, компютърната система може да бъде използвана за счетоводни разчети или управление на складови наличности, което изисква машината да разполага със специализирани счетоводни програми. Ако компютърът се използва за подготовка и съхраняване на документи или подготовка на обобщени справки и разчети за фирмената дейност на дадена компания са необходими програми с общо предназначение каквито са например Office пакетите (съдържащи текстообработващи програми, електронни таблици и др.). Към приложното програмно осигуряване могат да се отнесат и програмните системи за управление на бази данни, настолните издателски системи, програмите за обработка на графични обекти, мултимедийните приложения, интегрираните работни среди за създаване на приложни програми и др.

Една от най-важните задачи на системното програмно осигуряване е достъпът до хардуерните елементи на компютъра. Това не може да се извърши директно от програмата на потребителя. Например, не може да се осъществи директно обръщение на микропроцесора към видеоконтролера на компютърната система. Вместо това програмата може да използва ROM – BIOS и операционната система (DOS, Windows), които да подготвят правилна заявка за използване на това устройство. Тези програмни системи се явяват като посредници за достигане на хардуерните елементи. ROM BIOS–ът и операционната система са създадени именно за тази цел – да управляват достъпа до хардуера. Взаимодействието между апаратната част на компютърните системи и приложните програми с използване на системното програмно осигуряване може да се представи посредством трипластов модел, както е показано на фиг. 1.1

Моделът показва, че най-близо до хардуера се намира BIOS системата, която непосредствено комуникира с апаратните елементи и другите системи се свързват с хардуера посредством BIOS. Следващият слой в структурата на компютърните системи се явява операционната система, а най-горният слой съставят приложните програми. Те комуникират с хардуерните елементи чрез операционната система и BIOS. В архитектурата на компютърните системи е предвидена възможност и за директно свързване на приложната програма с апаратните елементи, но тази връзка се използва в случаите, когато се изпълняват специални действия, които операционната система и BIOS не могат да осигурят.

Фиг. 1.1. Трипластов модел на компютъра

BIOS е термин, описващ всички драйвери на компютърната система, които работят съвместно и оформят интерфейса (връзката) между хардуерните елементи и софтуера. Една част от BIOS-а се разполага в ROM чип, който е постоянна памет само за четене. Това е същинската част на BIOS, но не е цялата. BIOS-ът включва също ROM чипове, намиращи се на разширителните карти (платки), както и допълнителни драйвери, които се зареждат при стартиране на операционната система.

Частта, която се намира в ROM чипове на дънната платка и на някои разширителни карти, понякога се нарича ‘фърмуер’ (firmware) – наименование, давано на софтуер, съхраняван в чипове, а не на твърдия диск. Това понякога създава илюзия, че BIOS–ът е хардуерен компонент.

BIOS – е съвкупност от програми, които са необходими за работа на компютъра по всяко време от използването му. Част от тези програми поемат управлението на компютъра при неговото стартиране и организират зареждането на операционната система. Тази част е записана в постоянна памет ROM на дънната платка и се вгражда в компютърната система при асемблирането й.

При стартиране на КС, когато все още няма заредени никакви програми и драйвери за връзка с хардуерните устройства, ROM BIOS програмите са единствените, които се намират в паметта, и управлението автоматично се предава в определен адрес от програмното пространство на BIOS. Той подготвя системата за работа и осигурява връзките с периферните устройства.

Преди години, когато РС компютрите работеха само под управлението на DOS, ROM BIOS беше напълно достатъчен за работа на системата. Не бяха необходими допълнителни драйвери, тъй като BIOS-ът на дънната платка разполагаше с всичко необходимо за управление на устройствата на компютърните системи. Той обикновено включваше драйвери за всички основни компоненти, като клавиатура, флопидискови устройства, харддиск, серийни и паралелни портове и други. Когато системите станаха по-сложни, в BIOS-а на дънната платка липсваха драйвери за доста нови хардуерни устройства, като например видеокарти, CD-ROM устройства, SCSI харддискове, USB портове и други.

Вместо да се разработват дънни платки с нов BIOS, поддържащ новите устройства, по-лесно и практично се оказа новите драйвери да се копират на системния харддиск, а операционната система да ги зарежда по време на своето стартиране. Това е начинът, по който се поддържат повечето CD-ROM устройства, звукови карти, скенери, принтери. Тъй като тези устройства не е необходимо да са активни по време на стартиране на компютърната система, драйверите им не е необходимо да се намират в ROM памет на BIOS.

Някои драйвери обаче трябва да са активни по време на стартиране на системата. Например, как могат да се заредят операционната система и другите драйвери, ако драйверите на харддиска не са в паметта на компютъра (в ROM паметта)? Очевидно е, че драйверите на харддисковете трябва предварително да са заредени в ROM, който може да се намира или на дънната платка или на адаптерната (разширителна) платка за диска.

Как може да се види нещо на екрана на монитора, ако видеокартата не разполага с набор от драйвери в ROM? Решението на проблема отново е в осигуряване на подходящи драйвери за видео в ROM паметта. Не е особено практично драйверите за отделните устройства да се записват в ROM паметта на дънната платка защото съществуват множество различни устройства и трябва в ROM-а на дънната платка да се записват множество драйвери. Вместо това, инженерите от IBM са намерили по-добро решение още в първите РС компютри. ROM-ът на дънната платка е проектиран така, че да сканира слотовете в системата и да търси адаптерни карти с разположени на тях ROM-чипове. Ако се открие карта с ROM, записаният в него софтуер се изпълнява по време на първоначалната фаза на зареждане, преди зареждането на операционната система.

Тъй като ROM-базираните драйвери се поставят директно на разширителните карти, не е необходимо да се променя ROM-ът на дънната платка, за да има поддръжка на нови устройства, особено на такива, които не трябва да са активни при пускане на системата. Някои разширителни (адаптерни) карти винаги имат ROM драйвери:

- Видеокарти. Всички видеокарти разполагат с BIOS драйвери;

-SCSI адаптери за твърди дискове. Тези, които поддържат зареждане от SCSI харддискове или CD-ROM устройства имат ROM BIOS драйвери.

- Мрежови карти. Картите, поддържащи зареждане директно от файлов сървър, имат така наречения зареждащ (boot) ROM или IPL (Initial program load – първоначално зареждане на програми) ROM. Това позволява РС компютри да се конфигурират в мрежата като бездискови работни станции – наричат се още Net PC компютри или умни терминали.

- Карти за надграждане на IDE или на флопидисковия контролер. Това са карти, които позволяват да се свързват повече от нормалния брой устройства. Тези карти трябва да имат собствен BIOS, за да направят тези устройства зареждаеми.

В BIOS има подпрограми и функции, които управляват прехвърляне на данни между централния процесор и външните устройства. Прехвърлянето се организира на физическо ниво. Например, записването на данни върху Hard диска се извършва, като се формират управляващи импулси за запис с определена магнитна глава (дискова повърхност), писта и сектор на магнитната повърхност от диска. Тези управляващи импулси се предават на контролера на диска, който позиционира четящите глави на определеното място.

BIOS – ът може да се разглежда като пласт, който покрива хардуера и предлага функционални възможности за достъп до следните устройства: видеоконтролер, RAM памет, флопи и харддискове, паралелни и серийни портове, клавиатура, мишка, часовник за реалното време и др.

Въпреки че може да се избегне използването на BIOS и директно да се осъществи достъп до всички устройства, желателно е да се използват функциите на BIOS, защото те са стандартизирани и съществуват във всеки РС. Стандартизацията на функциите на BIOS позволява една програма, написана за една компютърна система, да се изпълни безпроблемно на друга. Независимо дали системата съдържа 20 МВ или 20 GB диск и дали е произведен от IBM или Maxtor, функциите му са идентични и програмите се изпълняват по един и същ начин. Поради тази причина РС са толкова популярни и разпространени.
Харддискови параметри

BIOS често има проблеми при комуникацията с многото твърди дискове, намиращи се на пазара. Това се дължи на различните параметри за комуникация. BIOS трябва да познава броя на четящите глави, пистите (пътеките) и секторите, които съставят пространството за съхраняване на информация в твърдия диск, служебните писти и някои други данни. Тези параметри на твърдия диск се уточнават чрез специална програма SETUP от системата на BIOS.

Данните за твърдия диск и другите данни за системата се записват в специална памет, поддържана от батерията на компютъра CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor – допълнителна MOS) памет. Понякога се бърка BIOS системата със CMOS RAM паметта. Това се прави защото настройващата програма на BIOS-а (SETUP програмата) записва в CMOS RAM паметта основните конфигурационни настройки на компютърната система. На практика обаче, това са съвсем различни компоненти. Докато BIOS-ът е ROM памет с фиксиран софтуер, CMOS RAM съдържа часовник за реално време (real-time clock) и представлява RAM памет. CMOS RAM представлява цифров часовник с няколко допълнителни байта свободна памет. Тази памет, за разлика от обикновената RAM памет, е енергонезависима, тъй като часовникът и настойките на компютъра трябва да се съхраняват през цялото време. Тя е енергонезависима, защото е конструирана като електронна схема с много ниска консумация на енергия, която може да се захранва от специална батерия в компютърната система.

Програмата SETUP позволява на потребителя да конфигурира някои от елементите на компютърната система посредством параметрите на BIOS системата. Тези елементи са: системна дата и време, типове на устройствата, програмно изключване на устройства, разширение на паметта и др. Голяма част от SETUP програмите поддържат и управление на основната честота на системната шина, честотата на микропроцесора и др.

BIOS е системата, чрез която може да се въведе защита от неправомерен достъп до компютърната система чрез използването на парола. В този случай паролата се записва в паметта, поддържана от вътрешната батерия на компютърните системи.

POST процедура

За компютърните системи с микропроцесори Intel началото на работа става чрез задаване на управлението в клетка от паметта с адрес FFFF0. Тази клетка е от BIOS и съдържа команда за предаване на управлението на процедура (програма), която извършва проверка на системата и инициализация на хардуера. Тази процедура се нарича POST (Power On-Self Test).

Процедурата се състои от многото тестове за проверка на наличните устройства (процесор, памет, контролери на прекъсванията, DMA, контролери за устройствата). Ако възникне грешка, POST формира съобщение за грешка върху дисплея и подава звуков сигнал.
Възможности за настройки чрез BIOS

Посредством програмата SETUP на BIOS могат да се правят различни настройки в зависимост от типа на BIOS системата и компютърната система. Някои от най-често използваните настройки в съвременните BIOS системи са:

-устройства за първоначално зареждане на операционната система (А, С, CD-ROM,…). По този начин могат да се използват различни операционни системи;

-Задаване на основна видеокарта, ако са монтирани 2 видеокарти (AGP и PCI);

-Деактивиране на портове (ако даден порт не се използва да се освободи IRQ линия. Може да се деактивира и порта PS/2 на мишката, ако тя е монтирана в някой USB порт;

-Конфигуриране на честотата на централния процесор;

-Намаляване на броя на тестовете на компютърните системи при първоначално пускане;
Ъпгрейдване на BIOS

Ъпгрейд (обновяване) на BIOS в компютърните системи се извършва, за да се използват някои добавени (усъвършенствани) възможности на драйверите, разработвани от производителите на BIOS. Тъй като производителите на дънни платки обикновено не създават собствена BIOS система, а използват такива разработени от водещи в областта компании – American Megatrends Inc. (AMI), Microid Research, Phoenix Technologies Ltd. (Phoenix или AwardBIOS), промяната на BIOS е доста трудна. Много често се налага тази промяна да се извършва от производителя на дънната платка. В последните години за записване на BIOS се използва флаш памет, което позволява презаписване на софтуера на BIOS системата без да се заменя ROM чипа на дънната платка.

Използването на флаш ROM позволява да се свалят BIOS ъпгрейди от Web сайтовте на производителите на дънни платки и да се обновява BIOS системата. Това се налага, когато в компютърните системи се инсталира нов хардуер. Понякога, при инсталиране на по-нови хардуерни устройства или софтуерни приложения, може да се окаже, че те не работят добре или въобще не работят. Възможно е причина за тези проблеми да са някои специфични характеристики на BIOS. Един ъпгред на BIOS може да разреши част от проблемите на обновяване на компютърните системи. Тъй като проблемите зависят от използваните хардуерни елементи, при добавяне на нови устройства е добре да се проверява Web сайта на производителя на дънната платка за нови версии на BIOS. Самите производителите на BIOS обикновено не предлагат ъпгрейди, защото той е специфичен за конкретните дънни платки.

Практически всички РС, произвеждани след 1996 година, включват флаш ROM памет за съхранение на BIOS. За да се извърши ъпгрейда, е необходимо да се подготви зареждаема DOS дискета, и върху нея да се разкомпресира съдържанието на сваления от сайта BIOS ъпгрейд. Системата се рестартира от дискетата с изображението на обновения BIOS, след което се изпълняват инструкциите от менютата за обновяване на BIOS.

Ъпгрейдът на BIOS на дънната платка обикновено изтрива Setup настройките в CMOS паметта. Поради тази причина настройките трябва да се запишат, за да могат да се възстановят след това. Съществуват програмни продукти, които правят запис на настройките на BIOS, но те не са универсални, и затова е добре да се направи ръчен запис на параметрите в BIOS.

Обновяването на BIOS не е елементарна процедура. Ако процесът на ъпгрейд не се извърши правилно или по някакъв начин се прекъсне, компютърът ще остане с повреден BIOS. Това означава, че компютърът няма да може да се рестартира, и процедурата не може да се повтори (или поне това не е лесно). В зависимост от дънната платка може да се наложи да се замени флаш ROM чипа с такъв, програмиран от производителя на дънната платка или да се програмира свободен флаш ROM чип съдържащ неповреден BIOS.