Как связана ос с аппаратным обеспечением эвм

Обновлено: 09.05.2024

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации, называют вычислительной техникой. Конкретный набор связанных между собою устройств – вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер. Слово “компьютер” означает “вычислитель”. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. А по мере роста потребностей и задач, которые ставило перед собой человечество, росло значение и необходимость вычислений. Как известно, первая ЭВМ была изобретена в 1945 году, она называлась ЭНИАК (17000 электронных ламп, занимаемая площадь – 300 м2).

Архитектура ЭВМ

Архитектура – Совокупность программ аппаратных средств взаимодействия человека с компьютером.

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных узлов. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Архитектура ЭВМ по фон Нейману

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом.

Компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации

Для работы компьютера необходимо правильное сочетание аппаратного состава (технических устройств) и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение (Hardware) включает в себя устройства для ввода, обработки, хранения, вывода информации. Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Существует понятие базовой конфигурации – т.е. такой набор компонентов, дальнейшее уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для конкретной работы или даже полной бессмысленности работы с ним. Этот набор можно увидеть практически везде, где используют компьютер, в него входят:

- системный блок (плюс дисковод или винчестер, вмонтированный в корпус);

- клавиатура;

Основные элементы персонального компьютера

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Процессор. Микропроцессор - это центральный блок компьютера, предназначенный для управления всеми блоками компьютера и выполнения арифметических и логических операций над информацией. Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

• чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

• обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

Одним из самых важных элементов компьютера является память. Все ПК используют три вида памяти: постоянную, оперативную и внешнюю.

Все ПК имеют 4 иерархических уровня памяти:

Микропроцессорная память; (кратковременное хранение, запись и выдача информации, используемые вычислениях в ближайшие такты работы машины)

Основная память (хранение и оперативный обмен информацией с др. устройствами компьютера.)

Программное обеспечение ЭВМ

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д. Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела соответствующую документацию. Поэтому относительно работы на компьютере часто используют термин программное обеспечение (ПО, software), под которым понимают совокупность программ, процедур, правил и касающихся функционирования программной системы для решения поставленной задачи. Повышение производительности и качества труда пользователей при использовании программного обеспечения происходит за счёт автоматизации процедур расчётного и оформительского характера, реализуемых с помощью разнообразных средств программирования (алгоритмических языков, пакетов прикладных программ) и удобных средств ввода и вывода информации. Программное обеспечение в настоящее время составляет сотни тысяч программ, которые предназначены для обработки самой разнообразной информации с самыми различными целями. В состав программного обеспечения включают программы и необходимые для их функционирования данные. Все программы состоят из совокупности операторов и данных, описанных на некотором языке программирования, и создаются с помощью инструментальных программ.

Программное обеспечение (ПО) - это совокупность всех программ и соответствующей документации, обеспечивающая использование ЭВМ в интересах каждого ее пользователя.

Классы программных продуктов:

Системное ПО (минимальный набор программных средств для работы ПК, который носит общий характер применения, независимо от специфики предметной области)

Операционная система (Windows; Lunix)(посредник человека и компа, управляет ресурсами, обменивается данными между комп. и устройствами)

Сетевая операционная система

Программы диагностики работоспособности ПК

Программы обслуживания дисков

Программы обслуживания сети

Пакеты прикладных программ

Инструментарий технологии программирования

Прикладное программное обеспечение – служат инструментом для решения функциональных задач различных предметных областей и являются самым многочисленным классом программных продуктов. Прикладные программы называют приложениями. Они включает в себя: текстовые процессоры; табличные процессоры; базы данных; интегрированные пакеты; системы иллюстративной и деловой графики (графические процессоры); экспертные системы; обучающие программы; программы математических расчетов, моделирования и анализа; игры; коммуникационные программы. Прикладное программное обеспечение работает только при наличии системных программ.

Видеокартауправляет созданием и отображением на дисплее изображения. Из технических характеристик можно отметить объем и тип используемой видеопамяти, наличие (или отсутствие) акселератора (ускорителя), полосу пропускания, определяющей частоту вертикальной развертки (регенерации изображения). Любое изображение на экране видеомонитора представляется набором точек, которые называются пикселями (от английского – элемент картинки). Число точек по горизонтали и вертикали экрана определяет разрешающую способность экрана. Чем выше разрешающая способность экрана, тем качественнее изображение. В зависимости от размера видеопамяти и частоты вертикальной развертки позволяют устанавливать несколько различных значений для разрешения экрана (640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024, 1600х1280 и др.) и палитру, т.е. количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения (16, 256, 65535, 16.7 млн.).

1 килобайт = 1 кБ = 1 К = 2 10 байт = 1024 байт

1 Мегабайт = 1 МБ = 1 М = 2 20 байт = 1024 К = 1048576 байт

1 Гигабайт = 1 ГБ = 1 Г = 2 30 байт = 1024 М =1048576 К = 1073741824 байт.

Дисплей(анг. display — показывать) относится к основным устройствам любого ПК, без которого невозможна эффективная работа. Наиболее важная отличительная особенность современных компьютеров заключается в возможности почти мгновенного взаимодействия (работа в режиме реального времени) между системой и пользователем.

В процессе работы на экране дисплея отображаются как вводимые пользователем команды и данные, так и реакция системы на них.

Принцип работы. Так как информация бывает разной, то используются разнообразные устройства отображения информации. Краткая классификация дисплеев приведена на рисунке. Отличие алфавитно-цифровых и графических дисплеев состоит в том, что:

- первые способны воспроизводить только ограниченный набор символов, причём символы могут выводиться только в определенные позиции экрана (чаще всего на экран можно вывести 24 или 25 строк по 40 или 80 символов в строке);

В зависимости от своего устройства мониторы бывают либо жидкокристаллические, либо с электронно-лучевой трубкой.

Организация видеопамяти.

В растровых дисплейных системах видеопамять организована в виде прямоугольного массива точек. Элемент видеопамяти, стоящий на пересечении конкретных строки и столбца видеопамяти, хранит значение яркости и/или цвета соответствующей точки. Отображаемая на экране часть видеопамяти называется экранным буфером (буфером регенерации или экранной битовой картой). Регенерация изображения осуществляется последовательным построчным сканированием экранного буфера.

Графические ускорители.

Видеока́рта (известна также как графи́ческая пла́та, графи́ческий ускори́тель, графи́ческая ка́рта, видеоада́птер) (англ. videocard) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Видеокарта предназначена для преобразования информации, хранящейся и обрабатываемой ПК в визуальную форму, пригодную для воспроизведения на мониторе. Комплект “видеокарта-монитор” – это интерфейс между человеком и ПК.

С ростом ОС Windows появилась острая потребность в аппаратных ускорителях двумерной графики, чтобы разгрузить центральный процессор системы, вынужденный обрабатывать дополнительные события. Т.к. на обработку графики требуется как можно больше ресурсов центрального процессора, производители добавили в свои продукты функции обработки двумерной графики. Так появился процессор, обеспечивающий ускорение VGA или GUI ускоритель, который стал обязательным элементом в современных компьютерах.

В настоящий момент в видеоакселерации можно выделить следующие направления:

1) 2D – ускорители (прорисовка окон при открытии и свертывании, аппаратный курсор, постоянно видимый при перемещении указателя, аппаратная поддержка примитивов линий, окружностей, шрифтов, закраска областей на экране, заливка градиентов и т.д.);

2) обработка видеопотоков (компрессия/декомпрессия в реальном времени);

3) 3D – ускорители.

Интерфейс между прикладной программой и графической системой – это множество функций, которые в совокупности образуют графическую библиотеку. Спецификация этих функций и есть то, что мы называем интерфейсом прикладного программирования (API –Appli cation programmer’s interface). Для программиста, занимающегося разработкой прикладной программы, существует только API, таким образом, он избавлен от необходимости вникать в подробности работы аппаратуры и программной реализации функций графической библиотеки. Программируемый интерфейс приложений (API) состоит из функций, управляющих 3D-конвейером на программном уровне, но при этом может использовать преимущества аппаратной реализации 3D при наличии этой возможности. Если имеется аппаратный ускоритель, API использует его преимущества, если нет, то API работает с оптимальными настройками, рассчитанными на самые обычные системы. Таким образом, благодаря применению API любое количество программных средств может поддерживаться любым количеством аппаратных 3D-ускорителей.

Основные типы данных.

Для обработки ЭВМ данные представляются в виде величин и их совокупностей. С понятием величины связаны такая важная характеристика, как ее тип.

возможные значения переменных, констант, функций, выражений, принадлежащих к данному типу;

внутреннюю форму представления данных в ЭВМ;

операции и функции, которые могут выполняться над величинами, принадлежащими к данному типу.

В языке Паскаль тип величины задают заранее. Все переменные, используемые в программе, должны быть объявлены в разделе описания с указанием их типа. Обязательное описание типа приводит к избыточности в тексте программ, но такая избыточность является важным вспомогательным средством разработки программ и рассматривается как необходимое свойство современных алгоритмических языков высокого уровня.

Аннотация: Современный компьютер – сложнейшая аппаратно-программная система. Написание программ для компьютера, их отладка и последующее выполнение представляет собой сложную, трудоемкую задачу. Во многом это связано с тем, что существует огромная разница между тем, что удобно для людей, и тем, что удобно для компьютеров.

3.1. Понятие операционной системы

Компьютер понимает только свой машинный язык (назовем его Я0), для человека наиболее удобен язык разговорный или хотя бы язык описания алгоритмов – алгоритмический язык . Проблему можно решить двумя способами. Оба способа связаны с разработкой команд, которые были бы более удобны для человека, чем встроенные машинные команды компьютера. Эти новые команды в совокупности формируют некоторый язык, который назовем Я1.

Упомянутые два способа решения проблемы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, написанные на языке Я1. Первый способ – замена каждой команды языка Я1 на эквивалентный набор команд в языке Я0. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я0, вместо программы, написанной на языке Я1. Эта технология называется трансляцией.

Второй способ – написание программы на языке Я0, которая берет программы, написанные на языке Я1, в качестве входных данных, рассматривает каждую команду по очереди и сразу выполняет эквивалентный набор команд языка Я0. Эта технология не требует составления новой программы на Я0. Она называется интерпретацией, а программа , которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

В подобной ситуации проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я1, чем думать о трансляции и интерпретации. Назовем такую виртуальную машину М1, а виртуальную машину с языком Я0 – М0. Для виртуальных машин можно будет писать программы, как будто они действительно существуют.

Очевидно, можно пойти дальше – создать еще набор команд, который в большей степени ориентирован на человека и в меньшей степени на компьютер , чем Я1. Этот набор формирует язык Я2 и, соответственно, виртуальную машину М2. Так можно продолжать до тех пор, пока не дойдем до подходящего нам языка уровня .

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Уровень 0 – аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы этого уровня выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Следующий уровень – микроархитектурный уровень.

Следующий (второй) уровень составляет уровень архитектуры системы команд. Команды используют регистры и другие возможности аппаратуры. Команды формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture ), называемый машинным языком. Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин.

Следующий (третий) уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке имеется также и на уровне архитектуры системы команд. У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти , способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. С течением времени набор таких команд существенно расширился. В нем появились так называемые макросы операционной системы, или вызовы супервизора, называемые теперь системными вызовами.

Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть – микропрограммой. Вот почему этот уровень операционной системы считается гибридным.

Операционная система была создана для того, чтобы автоматизировать работу оператора и скрыть от пользователя сложности общения с аппаратурой, предоставив ему более удобную систему команд. Нижние три уровня (с нулевого по второй) конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин.

Над операционной системой (ОС) расположены остальные системные программы . Здесь находятся интерпретатор команд ( оболочка ), компиляторы, редакторы и т.д. Подобные программы не являются частью ОС (иногда оболочку пользователи считают операционной системой). Под операционной системой обычно понимается то программное обеспечение , которое запускается в режиме ядра или, как еще его называют, режиме супервизора. Она защищена от вмешательства пользователя с помощью специальных аппаратных средств.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков низкого уровня (обычно ассемблер ). На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей (физической) машиной.

Большинство пользователей компьютеров имеют опыт общения с операционной системой, по крайней мере, в той степени, чтобы эффективно выполнять свои текущие задачи. Однако они испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. В известной степени проблема связана с тем, что операционные системы выполняют две основные, но практически не связанные между собой функции: расширение возможностей компьютера и управление его ресурсами.

С точки зрения пользователя, ОС выполняет функцию расширенной машины или виртуальной машины, в которой легче программировать и легче работать, чем непосредственно с аппаратным обеспечением, составляющим реальный компьютер . Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс , но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими компонентами низкого уровня.

Однако концепция, рассматривающая операционную систему прежде всего как удобный интерфейс пользователя, – это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд, снизу вверх, дает представление об операционной системе как о механизме, присутствующем в компьютере для управления всеми компонентами этой сложнейшей системы. В соответствии с этим подходом работа операционной системы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти, дисков, принтеров, устройств ввода-вывода, датчиков времени и т. п. между различными программами, конкурирующими за право их использовать [4, 13, 22].

3.2. Операционная среда и операционная оболочка

Операционные системы (ОС) в современном их понимании (их назначении и сущности) появились значительно позже первых компьютеров (и, по всей видимости, исчезнут в этой сущности в компьютерах будущего). Почему и когда появились ОС? Считается 1 По другим сведениям, первый компьютер был создан в Англии в 1943 году для расшифровки кодов немецких подводных лодок. , что первая цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ) была создана в 1946 году по проекту "Проект РХ" Министерства обороны США. На реализацию проекта было затрачено 500 тыс. долларов. Компьютер содержал 18000 электронных ламп, массу всякой электроники, имел 12 десятиразрядных сумматоров, а для ускорения некоторых арифметических операций имел умножитель и "делитель-извлекатель" квадратного корня. Программирование сводилось к связыванию различных блоков проводами. Конечно, никакого программного обеспечения и, тем более, операционных систем тогда еще не существовало [13].

Интенсивное создание различных моделей ЭВМ относится к началу 50-х годов прошлого века. В эти годы одни и те же группы людей участвовали и в проектировании, и в создании, и в программировании, и в эксплуатации ЭВМ. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке (а затем на Ассемблере), не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм. Операционные системы еще не появились, а все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с примитивного пульта управления ЭВМ.

С появлением полупроводниковых элементов вычислительные возможности компьютеров существенно выросли. Наряду с этим заметно прогрессировали достижения в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ . Появились алгоритмические языки ( Алгол , Фортран, Кобол) и системное программное обеспечение (трансляторы, редакторы связи, загрузчики и др.). Выполнение программ усложнилось и включало в себя следующие основные действия:

загрузка нужного транслятора (установка нужных МЛ и др.);
запуск транслятора и получение программы в машинных кодах;
связывание программы с библиотечными подпрограммами;
загрузка программы в оперативную память;
запуск программы;
вывод результатов работы программы на печатающее или другое периферийное устройство.

Для организации эффективного использования всех средств компьютера в штаты вычислительных центров ввели должности специально обученных операторов, профессионально выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра. Однако как бы ни был подготовлен оператор, ему тяжело состязаться в производительности с работой устройств компьютера. И поэтому большую часть времени дорогостоящий процессор простаивал, а следовательно, использование компьютеров не было эффективным.

С целью исключения простоев были предприняты попытки разработки специальных программ – мониторов, прообразов первых операционных систем, которые осуществляли автоматический переход от задания к заданию. Считается, что первую операционную систему создала в 1952 году для своих компьютеров IBM -701 исследовательская лаборатория фирмы General Motors [22]. В 1955 году эта фирма и North American Aviation совместно разработали ОС для компьютера IBM -704.

В конце 50-х годов прошлого века ведущие фирмы изготовители поставляли операционные системы со следующими характеристиками:

пакетная обработка одного потока задач;
наличие стандартных программ ввода-вывода;
возможности автоматического перехода от программы к программе;
средства восстановления после ошибок, обеспечивающие автоматическую "очистку" компьютера в случаи аварийного завершения очередной задачи и позволяющие запускать следующую задачу при минимальном вмешательстве оператора;
языки управления заданиями , которые предоставляют пользователям возможность описывать свои задания и ресурсы, требуемые для их выполнения.

Пакет представляет собой набор (колоду) перфокарт, организованную специальным образом (задание, программы, данные). Для ускорения работы его можно было переносить на магнитную ленту или диск . Это позволяло сократить простой дорогой аппаратуры. Надо сказать, что в настоящее время в связи с прогрессом микроэлектронных технологий и методологий программирования значительно снизилась стоимость аппаратных и программных средств компьютерной техники. Поэтому сейчас основное внимание уделяется тому, чтобы сделать работу пользователей и программистов более эффективной, поскольку затраты труда квалифицированных специалистов сейчас представляют собой гораздо большую долю общей стоимости вычислительных систем, чем аппаратные и программные средства компьютеров.

Расположение операционной системы в иерархической структуре программного и аппаратного обеспечения компьютера можно представить, как показано на рис.3.1.

Самый нижний уровень содержит различные устройства компьютера, состоящие из микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т.п. Этот уровень можно разделить на подуровни – например, контроллеры устройств , а затем сами устройства. Возможно деление и на большее число уровней. Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются как отдельные функциональные единицы.

На микроархитектурном уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (их может быть несколько) и арифметикологические устройства со средствами управления ими. На этом уровне реализуется выполнение машинных команд. В процессе выполнения команд используются регистры процессора и устройств, а также другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA ( Instruction Set Architecture – архитектура системы команд), часто называемый машинном языком.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть все эти сложности. Конечный пользователь обычно не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера. Компьютер ему видится как набор приложений. Приложение может быть написано программистом на каком-либо языке программирования. Для упрощения этой работы программист использует набор системных программ, некоторые из которых называются утилитами. С их помощью реализуются часто применяемые функции, которые помогают работать с файлами, управлять устройствами ввода-вывода и т.п.

Программист использует эти средства при разработке программ, а приложения во время выполнения обращаются к утилитам для выполнения определенных функций. Наиболее важной из системных программ является операционная система , которая освобождает программиста от необходимости глубокого знания устройства компьютера и представляет ему удобный интерфейс для его использования. Операционная система выступает в роли посредника, облегчая программисту, пользователям и программным приложениям доступ к различным службам и возможностям компьютера [4].

Таким образом, операционная система – это набор программ, контролирующих работу прикладных программ и системных приложений и исполняющих роль интерфейса между пользователями, программистами, прикладными программами, системными приложениями и аппаратным обеспечением компьютера.

Образно можно сказать, что аппаратура компьютера предоставляет "сырую" вычислительную мощность , а задача операционной системы заключается в том, чтобы сделать использование этой вычислительной мощности доступным и по возможности удобным для пользователя. Программист может не знать детали управления конкретными ресурсами (например, диском) компьютера и должен обращаться к операционной системе с соответствующими вызовами, чтобы получить от нее необходимые сервисы и функции. Этот набор сервисов и функций и представляет собой операционную среду, в которой выполняются прикладные программы.

Таким образом, операционная среда – это программная среда, образуемая операционной системой и определяющая интерфейс прикладного программирования ( API ) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), которые предоставляются прикладным программам. Операционная среда может включать несколько интерфейсов прикладного программирования. Кроме основной операционной среды, называемой естественной ( native ), могут быть организованы путем эмуляции (моделирования) дополнительные программные среды, позволяющие выполнять приложения, которые рассчитаны на другие операционные системы и даже другие компьютеры.

Еще одно важное понятие, связанное с операционной системой, относится к реализации пользовательских интерфейсов. Как правило, любая операционная система обеспечивает удобную работу пользователя за счет средств пользовательского интерфейса. Эти средства могут быть неотъемлемой частью операционной среды (например, графический интерфейс Windows или текстовый интерфейс командной строки MS DOS ), а могут быть реализованы отдельной системной программой – оболочкой операционной системы (например, Norton Commander для MS DOS ). В общем случае под оболочкой операционной системы понимается часть операционной среды, определяющая интерфейс пользователя, его реализацию (текстовый, графический и т.п.), командные и сервисные возможности пользователя по управлению прикладными программами и компьютером.

Рис. 3.2. Обобщенная логическая структура ЭВМ

PRIVATEТа часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы – последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Память. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти вычислительной машины, куда они заносятся через устройство ввода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором

приём информации из других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ). Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые программы и данные, например, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

При включении компьютера из ПЗУ в ОЗУ с помощью аппаратных средств загружается короткая программа-“стартер”, которая загружает из внешней памяти блоки операционной системы, необходимые для работы компьютера. После этого компьютер готов к работе.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Для измерения объема памяти основная единица – байт (8 двоичных разрядов, т.е. 8 бит). Однако используются и единицы, производные от байта (см. таблицу).

Наименование

Количество байт

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах.

По принципам функционирования ВЗУ разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Первые обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Вторые используются в основном для резервирования информации.

Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для соединения и согласованного взаимодействия её устройств и обмена информацией между ними.

Блочная (модульная) организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между блоками. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Каждая шина содержит провода и схемы сопряжения для подключения соответствующих модулей ПК.

- шина данных предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода операндов выполняемых машинных команд;

- шина адреса предназначена для параллельной передачи всех разрядов адреса ячеек, участвующих в выполнении команды;

- управляющая шина предназначена для передачи управляющих сигналов во все блоки ПК.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

PRIVATEПорты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода (специальные ячейки памяти под вводимые данные) и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

3.3. Устройство персонального компьютера

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы – персонального компьютера.

Персональным компьютером (ПК) называют настольный или переносной компьютер, удовлетворяющий требованиям общедоступности и универсальности применения и рассчитанный на одного пользователя.

К достоинствам ПК относятся:

- сравнительно малая стоимость, в пределах доступности для индивидуального покупателя;

- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

- высокая надежность работы.

PRIVATEПринцип открытой архитектуры заключается в следующем:

Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рис. 3.3.

PRIVATE "TYPE=PICT;ALT Normal">периферийными устройствами

Тема 4. Программное обеспечение ПК

4.1. Структура программного обеспечения

Математическое и программное обеспечение – совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

К средствам математического обеспечения относятся:

- средства моделирования процессов обработки информации;

- типовые задачи обработки информации;

- математические методы, используемые для решения типовые задачи обработки информации.

В состав программного обеспечения (ПО) входят общесистемные и специальные программные продукты. Программа – это упорядоченная последовательность команд для ЭВМ. Набор программ, составляющих ПО, принято распределять по уровням. Такое членение удобно для всех этапов работы с информационной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания.

Прикладное ПО

4 уровень

Служебное ПО

3 уровень

Системное ПО

2 уровень

Базовое ПО

1 уровень

1 Уровень. Базовое ПО отвечает за взаимодействие непосредственно с аппаратными (техническими) средствами. Как правило, базовые программные средства хранятся в специальных микросхемах, составляющих постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Иными словами, базовое ПО конструктивно встроено в состав аппаратных средств ПК.

2 Уровень. Системное ПО обеспечивает взаимодействие прочих программных средств ИС с программами базового уровня. Например, при подключении к ПК нового оборудования необходимо в состав системного ПО добавить новую программу, обеспечивающую для других программ связь с этим оборудованием. Такие программы называются драйверами устройств. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря им пользователь получает возможность вводить данные в компьютер, управлять его работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программы называются средствами обеспечения пользовательского интерфейса.

В общем случае интерфейс – совокупность средств и правил, которые обеспечивают связь и взаимодействие различных технических устройств, программных продуктов между собой, а также с человеком, использующим эти средства (с пользователем). Иными словами, существует много различных интерфейсов, о них еще зайдет речь в дальнейшем.

3 Уровень. Назначение программ, составляющих служебное (сервисное) ПО (их называют утилиты), состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Некоторые служебные программы изначально включают в состав операционной системы, но большинство из них являются внешними по отношению к операционной системе и служат для расширения ее функций. К служебному ПО, в частности, относятся:

- программы обслуживания файлов (файловые менеджеры), позволяющие копировать, удалять файлы, осуществлять их поиск и проделывать иные манипуляции с файлами и папками;

- средства сжатия данных (архиваторы), применение которых существенно уменьшает объем данных и упрощает их хранение;

- средства диагностики программного и аппаратного обеспечения;

- средства обеспечения информационной безопасности, включая антивирусное ПО, а также средства защиты от несанкционированного доступа к данным.

4 Уровень. Программные продукты перечисленных ранее уровней носят общий характер применения, независимо от специфики предметной области – наука, образование, бизнес или иная. В отличие от них, прикладное ПО представляет собой совокупность программ, разработанных при создании вычислительной системы определенного назначения .

Прикладное ПО можно разделить на две группы программ: системы программирования и приложения.

Системы программирования обеспечивают процесс разработки программ предметного назначения, и включают специализированные программные продукты, в состав которых входят трансляторы с различных языков программирования, а также более крупные программные комплексы – интегрированные среды, которые поддерживают все технологические этапы создания программных продуктов, включая этапы проектирования, программирования, тестирования и отладки.

Приложения – программы, предназначенные для решения задач определенного класса и конкретной предметной области. Они являются самым многочисленным классом программных продуктов. Позже мы поговорим о приложениях более подробно.

4.2. Функции операционной системы

Операционная система является основной и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе. Она обеспечивает целостное функционирование всех устройств компьютера, предоставляет пользователю доступ к управлению компьютером, а также упорядочивает и обеспечивает хранение информации во внешней памяти.

PRIVATEОперационная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных и служебных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и обеспечить выполнение всех других программ. Она играет роль связующего звена между выполняемыми программами и аппаратурой компьютера, а также между пользователем и программами.

Перечислим более подробно основные функции ОС.

1. Обеспечение интерфейса пользователя – взаимодействия пользователя и программ. Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы пользователя. В пакетном режиме ОС автоматически выполняет заданную последовательность команд без вмешательства пользователя. При реализации диалогового режима ОС находится в ожидании команды пользователя, получив ее, приступает к выполнению, а исполнив, ждет очередной команды.

По реализации интерфейса различают текстовые и графические ОС. В текстовых ОС реализован интерфейс командной строки, при котором в специальное поле экрана, называемое командной строкой, вводится команда пользователя, которая после нажатия специальной клавиши (обычно – ENTER) отправляется на выполнение.

Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса, в котором кроме клавиатуры может использоваться мышь или иное устройство позиционирования. Работа графических ОС основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента выступает экранный указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов выступают графические элементы управления приложений – ярлыки, экранные кнопки, переключатели и др. В процессе управления пользователь совмещает нужным образом активный элемент с выбранным пассивным и использует кнопки мыши для подачи команд. Графический интерфейс предъявляет повышенные требования к быстродействию видеосистемы компьютера, но при этом достигается основная цель – создается более комфортная среда работы пользователя.

2. Обслуживание файловой системы. Все современные дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Под управлением ОС происходят следующие операции с файловой системы:

- создание файлов и папок (каталогов) и присвоение им имен;

- копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между папками;

- удаление файлов и каталогов;

- навигация по файловой системе с целью доступа к заданному файлу и/или каталогу;

- управление атрибутами файлов.

- возможность параллельной работы нескольких приложений;

- возможность обмена данными между приложениями;

- возможность совместного использования ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

Таким образом, в процессе своего функционирования приложения постоянно находятся под управлением ОС, причем, от качества этого управления во многом зависит эффективность и надежность работы всей вычислительной системы.

Для своей правильной работы приложения, работающие под управлением ОС, должны быть включены в состав ПО конкретного компьютера не простым копированием файла с программой, а пройти специальную операцию, называемую инсталляцией (установкой). Программное обеспечение распространяется фирмами-производителями в форме дистрибутивов, представляющих собой не законченный программный продукт, а некий полуфабрикат, который при инсталлировании проходит привязку к аппаратно-программной среде данного компьютера. Современные ОС берут на себя управление процессом установки приложений, а именно:

- управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями;

- обеспечивают доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств;

- формируют общие ресурсы, которые могут использоваться разными приложениями;

- выполняют регистрацию установленных приложений.

Процесс удаления приложений также должен протекать под контролем ОС, т.к. при несанкционированном удалении одного приложения могут быть удалены ресурсы, на которые опираются другие приложения.

4. Обеспечение взаимодействия с аппаратной средой. PRIVATE Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления – драйверы. Одной из важных функций ОС является диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств. Таким образом, операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

4.3. Операционные системы Windows

Программно-аппаратный комплекс — это набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких сходных задач.

Аппаратно-программный комплекс — техническое решение концепции алгоритма работы сложной системы, управление которой осуществляется, как правило, исполнением кода из определённого базового набора команд (системы команд).

Состоит, соответственно, из двух основных частей:

Аппаратная часть (англ. hardware ) — устройство сбора и обработки информации например компьютер, плата видеозахвата, биометрический детектор, калибратор и т. п.
Программная часть (англ. software ) — специализированное программное обеспечение (как правило, написанное компанией-производителем аппаратной части), обрабатывающее и интерпретирующее данные, собранные аппаратной частью. Например: встроенное программное обеспечение, операционная система.

§1. Понятие аппаратно- программной системы.

Каждый специалист, занимающийся обслуживанием персональных компьютеров, должен хорошо представлять себе взаимосвязь между аппаратными средствами и программным обеспечением.

На заре вычислительной техники главное внимание уделялось аппаратуре. Первые программы создавались для конкретных компьютеров, программное обеспечение, как правило, запаздывало в своем развитии по отношению к аппаратуре и зачастую носило вторичный характер. С появлением в середине 1970-х годов персональных компьютеров разработчики поняли, что компьютер будет привлекателен для пользователей лишь при наличии большого выбора программного обеспечения. Вместо программ, ориентированных на конкретные типы машин, необходимо было создать универсальную оболочку, которая управляла бы ресурсами компьютера и запускала на исполнение прикладные программы. При таком подходе они должны были стать переносимыми, т.е. выполняться на системах с различными аппаратными средствами. Подобные универсальные программные оболочки стали называться операционными системами (ОС). Когда инженеры компании IBM разработали первый персональный компьютер, они выбрали для него простую операционную систему с пользовательским интерфейсом в виде командной строки. Эту ОС IBM приобрела по лицензии у малоизвестной в то время фирмы под названием Microsoft. Далее понадобилось множество программ, которые позволяли управлять аппаратными средствами компьютера, изменять их характеристики тестировать и т.д.

Взаимосвязь между аппаратными и программными средствами часто изображаются в виде иерархической структуры, показанной на рисунке.

На каждом из уровней иерархии в процессе работы компьютера выполняются свои строго определенные задачи. Таких уровней три- аппаратные средства, BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода/вывода), ПО.

Ядром иерархии компьютера являются аппаратные средства, поскольку что-то должно исполнять написанные программы. К аппаратным средствам относятся различные электронные компоненты, накопители, платы расширения, источники питания, периферийные устройства и соединяющие их проводники и кабели. К ним же относятся внешние по отношению к системному блоку компьютера компоненты: мониторы, клавиатуры, манипуляторы, принтеры и т.п.

Посылая соответствующие цифровые коды в различные порты ввода/вывода, или записывая их в различные ячейки памяти, можно управлять практически всем, что прямо или косвенно подключено к центральному процессору системы. Однако для того чтобы управлять устройствами, входящими в состав вычислительной системы, на аппаратном уровне, необходимо очень хорошо разбираться их схемотехнике.

Посредником между аппаратными средствами и программами является BIOS- базовая система ввода/вывода.

BIOS — это набор небольших программ (функций BIOS), каждая из которых предназначена для управления одной из основных подсистем компьютера (видео и дисковой системы, клавиатуры и т.п.). Эти функции инициализируется с помощью стандартных вызовов первоначально разработанных фирмой IBM.

Когда необходимо, чтобы BIOS выполнила какую-либо стандартную процедуру, то вызывается соответствующая программа BIOS (операционной системой или программным путем), обслуживающая конкретное устройство в компьютере и разработанная специально для этого устройства. Кроме выполнения функций по обслуживанию аппаратных средств, BIOS при каждом включении компьютера проводит процедуру его самопроверки (POST— Power–On Self–Test). Она необходима для того, чтобы проверить все основные подсистемы компьютера перед попыткой загрузить операционную систему.

Программное обеспечение является очень широким понятием, включающим:

системное программное обеспечение компьютеров;

прикладное программное обеспечение, используемое для решения задач любой предметной области (в виде пакетов прикладных программ);

инструментарий технологии программирования (программное обеспечение сферы производства программ).

Для оптимальной работы компьютера необходимо:

уметь диагностировать аппаратные составляющие, изменять их характеристики.

грамотно устанавливать и настраивать программы ,

разбираться в настройках BIOS setup.

Это позволяет выделить следующие направления курса:

Изучение тестовых программ для процессора, жесткого диска, видеокарты и монитора, CD приводов.

Изучение программ для оптимизации работы ОС: восстановление данных, настройка реестра и т.д.

Изучение настроек BIOS setup.

Знакомство с инструментальной средой программирования для разработки программно- аппаратных систем.

Базовые понятия вычислительной системы

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие — архитектура вычислительной машины.

Архитектура (architecture)— это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) — это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.

Структура — это отношение между элементами системы [ISO/ IEC2382/1 -93].

Структура вычислительной машины определяет отношение между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

Архитектура вычислительной системы — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т.п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Читайте также: