Информатика, основные понятия, предмет и задачи

Без участия МП информация из памяти может считываться блоками устройством прямого доступа к памяти DMA -- Direct Memory Access. При необходимости оно посылает запрос, содержащий адрес и размер блока данных, а также управляющие сигналы. Так как доступ к памяти по каналам DMA одновременно могут иметь несколько устройств (например, процессор, видеокарта с интерфейсом AGP, контроллер шины PCI, HDD), образуется очередь запросов, хотя каждому потребителю ресурсов памяти требуются собственные данные, часто расположенные не только в разных микросхемах, но и в разных банках памяти.

ОЗУ (англоязычное название RAM, Random-Access Memory -- память с произвольной выборкой) хранит выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях. Среднее время доступа к ее ячейкам составляет около 10 наносекунд (10~⁹ с). На современных ПК объем ОЗУ находится в пределах 128-4096 Мбайт. От объёма ОЗУ зависит не только возможность работы с ресурсоёмкими программами, но и его производительность, поскольку при нехватке памяти в качестве её логического расширения используется жесткий диск, время доступа к которому значительно больше. На производительность ПК влияют также быстродействие ОЗУ и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

ОЗУ реализуется на микросхемах DRAM (Dynamic RAМ -- динамическая память с произвольной выборкой), характеризующихся по сравнению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высокой удельной ёмкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный бит (0 или 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки этот заряд необходимо с определённой периодичностью обновлять. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Видеоадаптер ПК позволяет монитору взаимодействовать с процессором. Поэтому видеоадаптер должен иметь специальную память (видеопамять), в которую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, может выводить содержимое видеопамяти на экран. В современных условиях минимальным объёмом видеопамяти следует считать 32 Мбайт, приемлемым -- 128 Мбайт, комфортным -- 256 Мбайт. Ввиду больших объёмов видеоинформации видеоадаптеры, как правило, подключаются к материнской плате через специализированные шины с наибольшей пропускной способностью.

Энергонезависимая память CMOS. Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве. Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

3. Функционально-структурная организация. Микропроцессоры. Запоминающие устройства ПК

Микросхема ПЗУ и система BIOS. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего -- ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти -- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» -- их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS -- Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. Модуль BIOS находится в микросхеме энергонезависимой памяти (CMOS'-памяти). В CMOS'-памяти записана конфигурация аппаратных средств компьютера и некоторая другая информация. Она питается от небольшой батареи, и поэтому ее содержимое не стирается даже после выключения питания компьютера. Если системная плата содержит встроенный контроллер накопителей на жестких дисках, на ней также располагается разъем для подключения индикатора жесткого диска. Этот индикатор светится в момент обращения к жестким дискам.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область -- так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Процессор -- основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных -- как адресные данные, а часть -- как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд -- CISС-процессорами (CISC -- Complex Instruction Set Computing).

4. Структура памяти. Способы представления данных в памяти

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса (рисунок 2).

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что программа будет размещена, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере.

Рис. 2. Типы адресов

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами. В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа - перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, и информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение программы во время ее выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае - каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Тема 6. Состояние и тенденции развития ЭВМ

1. История развития компьютерной техники. Поколения ЭВМ

Компьютеры стали необходимостью. Они везде: в домах, на заводах, в офисах и автомобилях… Мы порой даже не задумываемся, насколько история развития компьютерной техники многогранна и богата историческими датами. На сегодняшний день различают четыре поколения компьютеров. Первое поколение представляло собой громоздкие (по нынешним меркам громадные) машины. Если не считать труд немецкого инженера Цузе (а именно он создал первую ЭВМ в 1941 году, но труды были утеряны), то родоначальником нынешних компьютеров является «Марк-1» (1943 г.). Эта машина требовала огромный зал и состояла из 800 км проводов, более 3300 тыс. реле и потребляла для вычислений сотни киловатт электроэнергии. Использовались эти компьютеры для военных расчетов. Но стоит отметить, что история компьютерной техники поколения I началось не с «Марк I». Дата ее начала зафиксирована в 1946-м году. Тогда работа компьютера стала основываться на электронно-вакуумных лампах. Именно такую конструкцию имел ЭНИАК. По размерам он был практический как первый «Марк», но отличался большей производительностью (более чем в тысячу раз). Машина оказалась интересной, мощной, новаторской, но непрактичной. Для проведения одного расчета требовалось в течение нескольких часов в определенном порядке проводить коммутацию кабелей. Устройство простаивало, а развитие компьютерной техники продолжалось и появилось новое понятие - «элементная база», которая могла обеспечивать функционирование ЭВМ. База компьютеров I поколения состояла из конденсаторов, резисторов и электронно-вакуумных ламп. История компьютерной техники отечественного производства начинается в 1951 г., благодаря С.А. Лебедеву. Началось все с МЭСМ, которая после доработок стала БЭСМ-2. Немного позже в СССР была создана самая мощная в Европе ЭВМ с именем М-20, которая довольно часто выходила их строя и требовала для обслуживания немалый штат инженеров. Второе поколение компьютеров началось с изобретения и использования первого транзистора. С этого момента история развития компьютерной техники начала набирать совершенно иную скорость движения. База ЭВМ стала основываться на полупроводниковых элементах. Транзистор был в сорок раз производительней электронной лампы, компактней и дешевле. Стало возможным использование печатных плат. В 1965 г. компания Digital Equipment представила компактный (!) компьютер, размеры которого были немногим меньше вместительного холодильника. Называлось это чудо PDP-8 и стоил 20 тыс. американских долларов. Пока портативный PDP-8 удивляет всех своей производительностью, одновременно берет свое начало развитие компьютеров третьего поколения (конец 1960-х - 70-е года). Это связано с разработкой и испытаниями первой интегральной схемы (Джон Килбри 1958 г.). На пластине кремния располагались транзисторы и их соединения. Производительность - от сотен тысяч до миллионов операций в секунду. В 1968 выходит в свет первая ЭВМ на интегральных схемах - IBM-360. В 1970 г. компания Intel начинает реализацию интегральных схем памяти. С каждым годом производительность деталей увеличивалась не менее чем в два раза, при этом площадь схем либо не изменялась, либо становилась меньше. Это дало старт развитию четвертого поколения компьютеров. В 1970 г. фирма Intel (Маршиан Эдвард Хофф) конструирует первый аналог центрального процессора большого компьютера. В 1970 г. он выходит в продажу под названием Intel-4004. При размерах 3 см он был производительнее трех ЭВМ «Марк II». Развитие микропроцессоров шло довольно быстро, что позволило создавать практичные вычислительные машины, которые использовались для набора текстов, вычислений и упрощения бухучета. Благодаря таким людям как С. Джобс и В. Возняк (основатели «Apple Computer») история развития компьютерной техники стала приближать эти устройства к простым пользователям. И теперь обычные люди могли сами наблюдать то, как быстро растет производительность, появляются новые программы и многое другое. К концу 70-х г.г. распространение персональных компьютеров получило невероятно большой оборот. Благодаря активным действиям и ловким манипуляциям с коммерческими интересами больших корпораций, молодой американец Билл Гейтс с успехом отвоевывает для компании Microsoft право на разработку программного обеспечения. Успешные сделки и своевременное патентование программ, включая Windows, сделали Microsoft на немалый срок признанным лидером в мире ИТ-технологий, устранив главного соперника - компанию Apple. Четвертое поколение развивается и по сей день. История развития компьютерной техники продолжается. Современные компьютеры отличаются лишь тем, что для обрабатывания информации используется одновременно несколько процессоров.

Классификация ЭВМ по поколениям

Поколе- ние	Годы	Элементная база	Быстродействие	Память
1	1940 -1955	электронные вакуумные лампы	десятки тысяч операций в секунду	2 - 8 Кб
2	1955 - 1964	транзисторы	сотни тысяч операций в секунду	100 Кб
3	1964 - 1977	полупроводниковые интегральные схемы (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе)	сотни миллионов операций в секунду	до десятков Мб
4	1977 - 1991	большие и сверхбольшие интегральные схемы- микропроцессоры (десятки тысяч- миллионы транзисторов в одном кристалле)	более миллиарда операций в секунду	до нескольких Гб
5	1991 - 1995	сверхсложные микропроцессоры с параллельно-векторной структурой	сотни миллиардов операций в секунду
6	с 1995	сеть большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем

2. Классификация ЭВМ по принципу действия. Большие, малые ЭВМ, персональные компьютеры, суперЭВМ, серверы. Переносные компьютеры

По принципу действия (критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают):

· аналоговые вычислительные машины (АВМ) -- вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения); в этом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой измеряемой переменной. Например, ввод числа 19.42 при масштабе 0.1 эквивалентен подаче на вход напряжения в 1.942 В;

· цифровые вычислительные машины (ЦВМ) -- вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой, форме -- в виде нескольких различных напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной;

· гибридные вычислительные машины (ГВМ) -- вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме.

АВМ просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них нетрудоемкое, скорость решения изменяется по желанию оператора (больше, чем у ЦВМ), но точность решения очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ решают математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не содержащие сложной логики.

ЦВМ получили наиболее широкое распространение, именно их подразумевают, когда говорят про ЭВМ.

ГВМ целесообразно использовать для управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированнные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

* высокая производительность;

* разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при

большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

* обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических,

так и специальных;

* большая емкость оперативной памяти;

* развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого

круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

* быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

* разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

* номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

* номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

* типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);

* способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

* типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

* наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

* способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

* система и структура машинных команд;

* возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

* эксплуатационная надежность ЭВМ;

* коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Параметр	СуперЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	МикроЭВМ
Производительность, MIPS	1000-100000	10-1000	1-100	1-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-10000	64-10000	4-512	4-256
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-5000	50-1000	2-100	0,5 - 10
Разрядность, бит	64-128	32-64	16-64	16-64

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Примечание. Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 г. (в 1996 г. отмечалось 50-летие создания первой ЭВМ). Эта машина имела массу более 50 т, быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью около 100 кв.м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Тема 7. Программное обеспечение компьютера. Системное программное обеспечение. Состояние и тенденции развития программного обеспечения

1. Основные понятия и термины программного обеспечения: программа, программирования, программное обеспечение

Программа (program, routine) - упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи. Программное обеспечение (sowtware) - совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов.

Программы предназначены для машинной реализации задач. Термины задача и приложение имеют очень широкое употребление в контексте информатики и программного обеспечения.

Задача (problem, task) - проблема, подлежащая решению. Приложение (application) - программная реализация на компьютере решения задачи.

Таким образом, задача означает проблему, подлежащую реализации с использованием средств информационных технологий, а приложение - реализованное на компьютере решение по задаче. Приложение, являясь синонимом слова "программа", считается более удачным термином и широко используется в информатике.

Термин задача употребляется также в сфере программирования, особенно в режиме мультипрограммирования и мультипроцессорной обработки, как единица работы вычислительной системы, требующая выделения вычислительных ресурсов (процессорного времени, основной памяти и т.п.). В данной главе этот термин употребляется в смысле первого определения.

Существует большое число разнообразных классификаций задач. С позиций специфики разработки и вида программного обеспечения будем различать два класса задач - технологические и функциональные.

Технологические задачи ставятся и решаются при организации технологического процесса обработки информации на компьютере. Технологические задачи являются основой для разработки сервисных средств программного обеспечения в виде утилит, сервисных программ, библиотек процедур и др., применяемых для обеспечения работоспособности компьютера, разработки других программ или обработки данных функциональных задач.

Функциональные задачи требуют решения при реализации функций управления в рамках информационных систем предметных областей. Например, управление деятельностью торгового предприятия, планирование выпуска продукции, управление перевозкой грузов и т.п. Функциональные задачи в совокупности образуют предметную область и полностью определяют ее специфику.

Предметная (прикладная) область (application domain) - совокупность связанных между собой функций, задач управления, с помощью которых достигается выполнение поставленных целей.

Процесс создания программ можно представить как последовательность действий.

Схема процесса создания программ

Постановка задачи (problem definition) - это точная формулировка решения задачи на компьютере с описанием входной и выходной информации.

Постановка задачи - обобщенный термин, который означает определенность содержательной стороны обработки данных. Постановка задачи связана с конкретизацией основных параметров ее реализации, определением источников и структурой входной и выходной информации, востребуемой пользователем.

К основным характеристикам функциональных задач, уточняемым в процессе ее формализованной постановки, относятся:

цель или назначение задачи, ее место и связи с другими задачами;

условия решения задачи с использованием средств вычислительной техники;

содержание функций обработки входной информации при решении задачи;

требования к периодичности решения задачи;

ограничения по срокам и точности выходной информации;

состав и форма представления выходной информации;

источники входной информации для решения задачи;

пользователи задачи (кто осуществляет ее решение и пользуется результатами решения).

Выходная информация по задаче может быть представлена в виде документов (типа листинга или машинограммы), сформированных кадров - видеограммы на экране монитора, файла базы данных, выходного сигнала устройству управления.

Входная информация по задаче определяется как данные, поступающие на вход задачи и используемые для ее решения. Входной информацией служат первичные данные документов ручного заполнения, информация, хранимая в файлах базы данных (результаты решения других задач, нормативно-справочная информация - классификаторы, кодификаторы, справочники), входные сигналы от датчиков.

Обычно постановка задач выполняется в едином комплексе работ по созданию структуры внутримашинной базы данных, проектированию форм и маршрутов движения документов, изменению организации управления в рамках предметной области.

Алгоритм - система точно сформулированных правил, определяющая процесс преобразования допустимых исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходную информацию) за конечное число шагов.

Схема взаимосвязи входной и выходной информации для решения задачи

Алгоритм решения задачи имеет ряд обязательных свойств:

дискретность - разбиение процесса обработки информации на более простые этапы (шаги выполнения), выполнение которых компьютером или человеком не вызывает затруднений;

определенность алгоритма - однозначность выполнения каждого отдельного шага преобразования информации;

выполнимость - конечность действий алгоритма решения задач, позволяющая получить желаемый результат при допустимых исходных данных за конечное число шагов;

массовость - пригодность алгоритма для решения определенного класса задач.

В алгоритме отражаются логика и способ формирования результатов решения с указанием необходимых расчетных формул, логических условий, соотношений для контроля достоверности выходных результатов. В алгоритме обязательно должны быть предусмотрены все ситуации, которые могут возникнуть в процессе решения комплекса задач.

Алгоритм решения комплекса задач и его программная реализация тесно взаимосвязаны. Специфика применяемых методов проектирования алгоритмов и используемых при этом инструментальных средств разработки программ может повлиять на форму представления и содержание алгоритма обработки данных.

Примечание. Для решения задач могут использоваться алгоритмы,'заложенные в готовых программных продуктах - пакетах прикладных программ (ППП) функционального назначения (см. дальше). Также могут использоваться типовые модели и методы решения задач, представленные в методо-ориентирован-ных ППП. В этом случае осуществляется адаптация ППП к условиям конкретного применения, во всех остальных случаях разрабатываются оригинальные алгоритмы и программы реализации комплекса задач.

Программирование (programming) - теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ.

Программирование является собирательным понятием и может рассматриваться и как наука, и как искусство, на этом основан научно-практический подход к разработке программ.

Программа - результат интеллектуального труда, для которого характерно творчество, а оно, как известно, не имеет четких границ. В любой программе присутствует индивидуальность ее разработчика, программа отражает определенную степень искусства программиста. Вместе с тем программирование предполагает и рутинные работы, которые могут и должны иметь строгий регламент выполнения и соответствовать стандартам.

Программирование базируется на комплексе научных дисциплин, направленных на исследование, разработку и применение методов и средств разработки программ (специализированного инструментария создания программ). При разработке программ используются ресурсоемкие и наукоемкие технологии, высококвалифицированный интеллектуальный труд.

Программирование - это развитая отрасль хозяйственной деятельности, связанная со значительными затратами материальных, трудовых и финансовых ресурсов. По данным зарубежных источников, в середине 90-х годов в мире было занято программированием до 2% трудоспособного населения. Совокупный оборот в сфере создания программных средств достигает нескольких сот миллиардов долларов в год.

В связи с ростом потребности в разнообразных программах обработки данных весьма актуален вопрос применения эффективных технологий программирования и их перевода на промышленную основу. Это означает:

* стандартизованность, тиражируемость и воспроизведение различными разработчиками методов программирования; * внедрение прогрессивных инструментальных средств разработки программ; * использование специальных методов и приемов организации работ по разработке программ.

Категории специалистов, занятых разработкой и эксплуатацией программ

Основная категория специалистов, занятых разработкой программ, - это пр о гр амм и с -т ы (programmer). Программисты неоднородны по уровню квалификации, а также по характеру своей деятельности. Наиболее часто программисты делятся на системных и прикладных.

Системный программист (system /software programmer, toolsmith) занимает-ся разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения, поддерживающего работоспособность компьютера и создающего среду для выполнения программ, обеспечивающих реализацию функциональных задач.

Прикладной программист (application programmer) осуществляет разработку и отладку программ для решения функциональных задач.

В условиях создания больших по масштабам и функциям обработки программ появляется новая квалификация- программист-аналитик (programmer-analyst), который анализирует и проектирует комплекс взаимосвязанных программ для реализации функций предметной области.

В процессе создания программ на начальной стадии работ участвуют и специалисты- постановщики задач.

Большинство информационных систем основано на работе с базами данных (БД). Если база данных является интегрированной, обеспечивающей работу с данными многих приложений, возникает проблема организационной поддержки базы данных, которая выполняется администратором базы данных.

Основным потребителем программ служит конечный пользователь (end user), который, как правило, относится к категории пользователей-непрограммистов. Конечный пользователь не является специалистом в области программирования, т. е. не владеет методами и технологией проектирования и создания программ, но имеет элементарные знания и навыки работы с вычислительной техникой. Такая квалификационная характеристика пользователя программного обеспечения в значительной степени влияет на спецификацию требований к создаваемым программам, интерфейсам, формам машинных документов, технологии решения задач на ЭВМ.

Возможна эксплуатация программ квалифицированными программистами или специально обученными техническими работниками - операторами ЭВМ.

Взаимодействие специалистов различного вида, участвующих в разработке и эксплуатации программ. В ряде случаев один специалист совмещает несколько видов деятельности. Администратор базы данных и системный программист осуществляют подготовку информационных и программно-технических условий для работы программ. Пунктирные линии означают участие специалиста в качестве консультанта.

2. Классификация программного обеспечения, пакетов прикладных программ и инструментария технологии программирования

Новая информационная технология - это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которого выполняется разнообразные операции по обработке информации во всех сферах жизни. Составляющими информационной технологии являются аппаратное и программное обеспечение компьютера.

Аппаратное обеспечение (hardware) - это компьютер и периферийные дополнительные устройства.

Программное обеспечение (software) - это совокупность программ для компьютера. Компьютерные программы по функциональному назначению делятся на следующие виды:

§ системное программное обеспечение (system software);

§ прикладное программное обеспечение (application software);

§ системы программирования (programming system).

Системные программные средства предназначены для обеспечения деятельности компьютерных систем как таковых. В их составе выделяют:

* тестовые и диагностические программы;

* антивирусные программы;

* операционные системы;

* командно-файловые процессоры (оболочки).

Рис. 2. Системные программные средства

Тестовые и диагностические программы

Тестовые и диагностические программы предназначены для проверки работоспособности отдельных узлов компьютера и компонентов программно-файловых систем и, возможно, устранения выявленных неисправностей.

Антивирусные программы

Антивирусные программы предназначены для выявления и, возможно, устранения вирусных программ, нарушающих нормальную работу вычислительной системы.

Операционные системы

Операционные системы являются основными системными программными комплексами, выполняющими следующие основные функции:

* тестирование работоспособности вычислительной системы и ее настройку при первоначальном включении;

* обеспечение синхронного и эффективного взаимодействия всех аппаратных и программных компонентов вычислительной системы в процессе ее функционирования;

* обеспечение эффективного взаимодействия пользователя с вычислительной системой.

Операционные системы классифицируются следующим образом:

* однопользовательские однозадачные системы ^ (MS-DOS, DR-DOS);

* однопользовательские многозадачные системы (OS/2, Windows 98);

* многопользовательские системы (системы семейства UNIX).

Рис. 2. Операционные системы

Командно-файловые процессоры

Командно-файловые процессоры (оболочки) предназначены для организации системы взаимодействия пользователя с вычислительной системой на принципах, отличных от реализуемых операционной системой, с целью облегчения его работы или предоставления дополнительных возможностей (например, Norton Commander или Windows версий до 3.11).

Тема 8 Операционные системы

Операционная система - это комплекс программ, загружаемая в оперативной памяти компьютера при его включении. Она организует диалог с пользователем, дает возможность доступа к ресурсам компьютера и управляет выполнением остальных программ. В настоящее время для персональных компьютеров имеются следующие операционные системы: MS DOS (Microsoft), Windows (Microsoft), MacOS (Apple), LINUX (Richard Stolman) и т.д.

На компьютерах, используемые как серверы локальных сетей применяются операционные системы Net Ware (Novell), Windows NT Server (Microsoft), LAN Server Advanced (IBM). Иногда применяются различные версии операционных систем UNIX (Bell Labs, AT&T).

Microsoft Windows - представляет собой высокопроизводительную и много задачную 32-разрядную операционную систему с графическим интерфейсом пользования (Graphic User Interface, GUI) и расширенными сетевыми возможностями. Windows позволяет наиболее полно использовать потенциал персонального компьютера IBM PC, обеспечивая доступ пользователя к ресурсам локальной и глобальной сети.

Возможности Windows для пользователей:

1) удобство поддержки устройств. Windows поддерживает технологию Plug and Play, которая автоматизирует сложный процесс подключения к компьютеру новых дополнительных устройств и их драйверов.

2) единый пользовательский интерфейс.

3) поддержка масштабируемых шрифтов. Windows поддерживает векторные шрифты формата TrueType и принципа WYSIWYG. Шрифты формата TrueType позволяют строить символы любого нужного размера, так как не содержат растровые (поточечные) изображения символов фиксированного размера, а описание контуров символов с помощью математических формул. Принцип WYSIWYG (What You See Is What You Get - что вы увидите, то и получите) -означает, что страница документа выглядит одинаково как на экране, так и на бумаге после распечатки.

4) поддержка мультимедиа.

5) многозадачность.

6) средства обмена данными. Для организации обмена данными между приложениями Windows предлагает следующие технологии:

· буфер обмена данными (clipboard).

· динамический обмен данными (DDE, Dynamic Data Exchange).

· механизм связи и внедрения объектов (OLE, Object Linking and Embedding).

7) совместимость с DOS-программами.

8) допустимость всей оперативной памяти.

9) отход от концепций файла.

10) динамическое подключение библиотек.

Требования к оборудованию: Операционная система Microsoft Windows -требовательна к быстродействию микропроцессора, объему оперативной памяти компьютера и свободному месту на диске.

Для работы с Windows надо иметь дисплей не ниже EGA (EGA, VGA, SVGA) поскольку большая разрешающая способность повышает качество изображения, в основном используют видеоконтроллеры SVGA, обеспечивающие разрешение не менее 640x480 точек.

Отсутствие манипулятора мыши делает работу с Windows крайне неудобной, поэтому Windows не используются на компьютерах без мыши.

Основные понятия операционной системы Windows.

Файл (file) - это поименованная область на оперативной памяти или магнитной диске. В файлах хранится любая информация, которая может быть обработана компьютером: текстовые документы, графические объекты, исходные тексты программ, программы на языке машины, условные коды и т. д. Длина файла измеряется в байтах.

Расширение имени файла (extension) описывает содержание файла, уточняет принадлежность файла к какой - либо группе.

Дерево (tree). Структура каталогов со всеми подкаталогами и файлами называется деревом.

Путь (path). При сложной древовидной структуре файлов на диске для указания файла необходимо знать его местоположение. Цепочка имен

Имя файла. В операционной системе Windows длина имени файла вместе с расширением может достигать 255 символов. Нельзя использовать символы: ?, *, :, \, |, /, <, > и символа кавычки. Windows различает прописные и строчные буквы в имени файла при создании, но при обращении к файлу разница игнорируется.

Имя диска (disk drive name). Все файлы в компьютерах хранятся на дисках. Для того чтобы отличать диски друг от друга, каждому из них присваивается имя. Дисководы для дискет имеют имена А: и В: (если дисковод один, то он имеет имя А:) Жесткий диск всегда имеет имя С: Дисковод для компакт-дисков (CD-ROM или CD-RW) имеет имя D: Иногда одного жесткого физического диска делят на несколько логических дисков. Эти логические диски имеют имена C:, D:, E: и т.д.

Шаблоны имени файла (wild cards). Во многих командах в именах файлов можно использовать символы * и ? для указания группы файлов из одного каталога. Символ * внутри шаблона обозначает любое число любых символов в имени файла или в расширении имени файла. Символ ? внутри шаблона означает, что данная позиция имени файла и расширения имени файла содержать либо один произвольный символ, либо не содержать никакого символа.

Атрибуты файлов (file attribute). Для каждого файла соответствующая ему запись в каталоге содержит атрибуты файла. Операционная система MS DOS может обрабатывать четыре атрибуты файла:

R - read only (только для чтения)

H - hidden (скрытый)

S - system (системный)

A - archive (архивный)

Каждый из этих атрибутов может быть либо установлен, либо нет.

Значок (icon). В операционной системе Windows каждой программе или документу в соответствие ставится программный элемент - значок (пиктограмма, икона). Значок представляет собой небольшую картинку, которая наглядно характеризует данную программу или документ.

Папка (folder) - используется для обозначения каталогов или группы программ. Но существуют папки, не имеющие аналогов в виде каталогов Панель управления (Control Panel) или папка Принтеры (Printers).

Ярлык (shortcut) - командный файл, с помощью которого можно осуществлять быстрый доступ к документам, папкам и т.д. Значки ярлыков имеют маленькую стрелку в левом углу, а обычные значки стрелки не имеют.

Документ (Document) - в Windows документом называется файл, обрабатываемый некоторой определенной программой.

Мастер. (Master) - является шаблоном, который помогает пользователю в создании объекта, задавая последовательность вопросов о том, каким должен быть объект.

Рабочий стол (Desktop) - это область, на которой работает пользователь в Windows-9x. Здесь обычно располагаются некоторые элементы интерфейса Windows:

· Мой компьютер (My computer);

· Корзина (Recycle Bin);

· Сетевое окружение (Network Neighborhood);

· Мои документы (My documents);

· Портфель (My Briefcase);

· Панель задач (Task bar);

· Пуск (Start).

С помощью Главного меню можно осуществить практически все действия, связанные с настройкой, запуском приложений и справочной системы Windows. Рассмотрим пункты Главного меню:

§ Программы (Programs);

§ Избранное (Favorites);

§ Документы (Documents);

§ Настройка (Settings);

§ Поиск (Find);

§ Справка (Help);

§ Выполнить (Run);

§ Завершение сеанса (Log off);

§ Завершение работы (Shut Down) - выход из Windows.

Windows работает с окнами. Пользователь может использовать окна для работы с папками и документами, для запуска приложений, обмена данными между ними и т.д. Любое приложение в Windows выполняется в окне. Окно может занимать часть экрана, оно может быть развернуто на весь экран, а также может быть свернуто и помещено на панель задач.

Все окна имеют типовые элементы, к ним относятся:

- системное меню;

заголовок окна;

кнопки управления;

строка меню;

панели инструментов;

адресная строка;

полоса прокрутки;

строка состояния.

Стандартные приложения Windows:

Графический редактор Paint - предназначен для создания, изменения и просмотра рисунков. Полученные рисунки могут быть вставлены в другие документы, а так же использованы в качестве фоновых рисунков рабочего стола и для любых других серии.

Word Pad - представляет собой текстовый редактор для работы с небольшими документами. Он допускает несложное форматирование абзацев, а так же использование различных шрифтов установленных в системе.

Калькулятор - имеет два режима работы: обычный - предназначен для простейших вычисления и инженерный, который обеспечивает доступ ко многим математическим функциям.

Блокнот (Notepad) - предназначен для создания и редактирования текстовых файлов не требующих форматирования и не превышающих по размеру 64 Kb. Блокнот работает только с файлами в формате ASCII / ANSI.

Средства мультимедиа. Вместе с Windows поставляются различные средства мультимедиа:

· CD Player (лазерный проигрыватель) - программа для воспроизведения музыкальных компакт-дисков;

· Media Player (универсальный проигрыватель) - программа для воспроизведения файлов звукозаписи и видеозаписи;

· Sound Recorder (фонограф) - программа для регулировки уровня громкости при записи и воспроизведении звука.

Служебные приложения Windows:

Проверка диска (Scandisk). Программа проверки диска Scandisk позволяет обнаружить ошибки в папках и файлах на жестком диске, а также проверить его физическую поверхность.

Дефрагментация диска (Defrag). Спустя некоторое время большинство файлов разбивается на фрагменты, расположенные в разных областях жесткого диска. Это не нарушает целостность файлов, однако увеличивает время, необходимое для их чтения и записи.

Уплотнение диска (Drive Space). Увеличить объем жесткого или гибкого диска позволяет программа уплотнения диска Drive Space. Как правило, уплотнение увеличивает объем диска в полтора - два раза.

Форматирование гибкого диска. Перед первым использованием дискеты необходимо специальным образом инициализировать (обычно говорят - форматировать). Форматирование - это процесс создания электронных меток, позволяющих записывать данные в указанное место диска.

...