Программа - последовательность команд, каждая из которых четко указывает процессору ЭВМ, где в оперативной памяти в данный момент времени взять элементарную информацию, что с нею сделать и где в памяти записать полученный результат.

Вспомним понятие ЭВМ, как комплекса технических устройств, предназначенного для автоматической обработки информации. Тогда для рассматриваемой архитектуры, в самом общем виде, работа машины может быть представлена так.

Вся информационная часть задачи (исходные данные, сама программа обработки, промежуточные и конечные результаты, а также и некоторая иная информация) записывается в устройство памяти с простым вариантом организации. Всю обработку информации на самом элементарном уровне осуществляет процессор ЭВМ.

Он же с помощью ряда дополнительных устройств (счетчиков команд, регистров и др.) контролирует самую главную особенность вычислителя данного типа - автоматизм выполнения всей последовательности действий, составляющих программу обработки. Фактически отмеченная совокупность устройств и есть ЭВМ. Причем, исходя из необходимости постоянного обмена элементарными порциями обрабатываемой информации, как процессор, так и оперативная память должны работать с одинаковым быстродействием и, как требует современная действительность, с все более увеличивающимся.

Естественно, что для ввода программы и исходных данных в оперативную память ЭВМ, а также для вывода промежуточных и конечных результатов автоматической обработки информации, реализуемыми главными или основными устройствами компьютера, необходимо добавить и ряд дополнительных - устройств ввода-вывода.

5. Элементная база

В ЭВМ непосредственную обработку информации, представляемой в виде двоичных электрических сигналов, осуществляют электронные элементы и узлы.

Число разновидностей электронных элементов ЭВМ относительно невелико, несмотря на их большое количество в машине. По своему назначению они могут быть классифицированы на логические, запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы предназначены для реализации основных логических функций И, ИЛИ, НЕ и их сочетаний, например, И - НЕ, ИЛИ - НЕ и др.

Запоминающие элементы выполняют функцию памяти. В них под действием входных сигналов устанавливается соответствующее состояние 0 или 1, которое сохраняется неизменным до прихода последующего управляющего сигнала.

Вспомогательные элементы служат для формирования и генерирования сигналов, их усиления и преобразования по амплитуде, мощности и длительности.

В свою очередь элементы ЭВМ являются основой для построения типовых узлов, с помощью которых и реализуются необходимые операции над кодами. К числу типовых узлов ЭВМ относятся регистры, дешифраторы, счетчики и сумматоры.

Регистры предназначены для временного хранения и преобразования двоичной информации (например, для сдвига числа при выполнении операции умножения и деления).

Счетчик служит для подсчета числа сигналов (импульсов), поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода с последующим запоминанием.

Дешифратором называется логическая схема, служащая для преобразования поступающего кода числа в управляющий сигнал, формируемый на одном из его выходов. Таким образом, например, производится выбор необходимых ячеек запоминающего устройства.

В сумматоре происходит суммирование чисел путем поразрядного их сложения. Этим способом осуществляется также умножение, деление и вычитание.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью так называемого интерфейса.

Интерфейс - совокупность линий, шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов.

Причем, среди интерфейсных каналов можно выделить как те, что работают между центральными устройствами, так и те, которые осуществляют связь между ними и устройствами периферии. Имеется также и система разделения каналов на быстрые и медленные (часто их именуют параллельными и последовательными каналами).

Узловыми элементами, связывающими различные типы интерфейсов в компьютере, являются так называемые контроллеры. Фактически контроллеры имеются у каждого из устройств ЭВМ и предназначены для устранения проблем взаимодействия (информационного, аппаратного и др.) между отдельными устройствами.

Исходя из представленных сведений о функциональных возможностях аппаратуры, составляющей типовую ЭВМ, можно сделать вывод о том, что реальные компьютеры могут отличаться от классической типовой схемы по разнообразию и назначению применяемых устройств. В силу этого в практическом применении ЭВМ имеется понятие «конфигурации» для каждого конкретного компьютера.

Конфигурация (configuration) вычислительной системы - совокупность функциональных частей вычислительной системы и связей между ними, обусловленная основными техническими характеристиками этих функциональных частей, а также характеристиками решаемых задач обработки данных.

Из знаний о классификации и направлениях применения современных ЭВМ можно определить, что самыми разнообразными вариантами конфигураций обладают вычислительные системы на базе персональных компьютеров, где одной из сторон проявления персонализации как раз и является комбинирование требуемым набором аппаратных средств и их взаимодействия.

Таким образом, нами рассмотрены виды аппаратных средств, составляющих ЭВМ и обеспечивающих определенный набор функций в совместной работе по обработке информации.

В тоже время в составе реальных ЭВМ имеются ещё ряд устройств, работа которых не изменяет общего представления о концепции обработки информации на компьютере, но имеет свою специфику.

Например, речь идет о внутреннем запоминающем устройстве, называемом постоянное запоминающее устройство - ПЗУ.

ПЗУ (read-only memory - ROM) - запоминающее устройство, не способное осуществлять функцию записи.

Считывание информации с подобного устройства может быть всякий раз при включении питания компьютера, а сама информация остается неизменной. Такие устройства устанавливаются в ЭВМ при серийной заводской сборке и в целом предназначены для первоначального запуска компьютера при включении питания. В зависимости от вариантов исполнения ПЗУ могут быть перепрограммируемые (с возможностью перезаписи информации на них - микросхемы с обнулением информации под воздействием ультрафиолетового излучения и записью новой с помощью специального программируемого источника света) или не перепрограммируемые.

Другим примером может быть вариант внутреннего запоминающего устройства - КЭШ-память.

Кэш-память (cache memory) - сверхоперативная память. Запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти). Оно используется для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек.

КЭШ-память может присутствовать в конфигурации ЭВМ при наличии дополнительных средств на приобретение, а может отсутствовать и тогда компьютер работает с обычным ОЗУ. В отличие от КЭШ-памяти, ПЗУ в том или ином варианте имеется практически у любого компьютера.

Заканчивая разговор о «фон-неймановской» архитектуре ЭВМ и ее программном принципе работы, напомним из краткого обзора истории развития вычислительной техники, что теоретически и практически разрабатываются, уже реально существуют и другие подходы к архитектурному построению компьютеров.

Инициируются данные разработки недостатками «фон-неймановской» архитектуры в области обработки различных видов информации. Причем во многих случаях отмеченные проблемы носят принципиальный характер.

Приведем лишь примеры их них:

- плохо поддается программированию творческая деятельность человека, но имеется все более расширяющаяся необходимость применения компьютеров именно в этой сфере приложений, например в системах поддержки и принятия решений, основывающихся и могущих самостоятельно развиваться на основе баз знаний;

- невозможность реализации образного, ассоциативного (в самом простом случае, очень многопараллельного) принципа обработки информации;

- медленная и, перспективно очень жестко ограниченная, скорость обработки отдельных видов информации, например графической и совмещаемой с ней, где, хотя и достигнуты значительные практические достижения (компьютерная анимация, кино, мультимедиа и др.), но продолжает ощущаться острая потребность, как в реализации новых задач, так и модернизации имеющихся.

Изложим некоторые сведения о других архитектурах ЭВМ, которые разрабатываются в последнее время.

6. Понятие и виды ЭВМ с «не-фон-неймановской» архитектурой

Не-фон-неймановская архитектура (non von Neumann architecture) - любой способ организации ЭВМ, принципиально отличающийся от классической фон-неймановской архитектуры.

Предлагаемые варианты не-фон-неймановской архитектуры включают: организацию ЭВМ либо без счетчика команд и с непоследовательным выполнением команд, либо без памяти с многократной записью (например, dataflow machine, reduction machine).

Машина, управляемая потоком данных (dataflow machine). Организация ЭВМ, при которой выполнение каждой операции инициируется наличием её операндов; заранее последовательность выполнения команд не задается. При управлении потоком данных в качестве операндов команды указываются не адреса ячеек памяти, а команды, результаты которых являются операндами данной команды.

Такая организация ЭВМ соответствует языкам функционального программирования.

Редукционная машина (reduction machine). Организация ЭВМ, при которой программа представляет собой набор правил подстановки и выражение, подвыражения которого заменяются (редуцируются) в соответствии с правилами. Правила и подвыражения могут обрабатываться с произвольной степенью параллелизма.

Такая организация соответствует языкам логического программирования.

SIMD-architecture - архитектура (параллельной) ЭВМ с одним потоком команд и несколькими потоками данных (например, array processor).

Векторный процессор, матричный процессор (array processor). ЭВМ или спецпроцессор, обеспечивающие параллельное выполнение операций над массивами чисел: векторами или матрицами. Обычно состоит из набора арифметических процессоров, выполняющих одинаковые операции над различными элементами массива, с общим устройством управления.

MIMD-architecture - архитектура (параллельной) ЭВМ с несколькими потоками команд и несколькими потоками данных. Организация вычислительной системы с несколькими однородными или разнородными процессорами, каждый из которых выполняет свои команды над своими данными.

Машина соединений - ее конфигурация внутренних связей динамически перестраивается согласно программе. На одноразрядных микропроцессорах уже в 1983 г. была создана ЭВМ, где согласованно работали 65000 процессорных элементов, а позже уже проектировалась система на 1 млн. элементов.

На транспьютерах (вариант новой микропроцессорной архитектуры) и других приборах подобного класса в чрезвычайно сжатые сроки были созданы системы, в которых соответственно задачам микропроцессоры объединялись самыми различными способами: «вычислительная поверхность», «гиперкуб», «обобщенный гиперкуб», «дерево», «кольцо» и т.д.

На базе этого подхода теперь стало возможным создание супермини и супер микро ЭВМ, которые отличаются высокими параметрами быстродействия, но не выходят за параметры своего класса по габаритам, энергопотреблению и другим.

Даже из данных кратких представлений видно (сейчас в мире ведутся разработки более 100 архитектур не-фон-неймановского типа), что развитие ЭВМ не останавливается, постоянно ищутся пути создания машин с более качественно новыми характеристиками, во многих случаях фантастическими для современного развития.

К числу таковых относятся, например, некоторые публикации о работах над ЭВМ, вероятно, 6-го поколения - компьютеров, построенных на живых клетках - биологических или биокомпьютерах.

Но пока большинство этих публикаций носит лишь отрывочный характер, в связи со строгой секретностью работ, результаты которых могут, к сожалению, быть использованы в военных и иных подобных целях.

Другим, не менее фантастическим, направлением являются работы в области суперминиатюризации или технологии в нанометрической шкале - нанотехнологии (уровень 10 в минус девятой степени метра).

Началом эры нанотехнологий считается 1981 год, когда ученые швейцарского отделения IBM сконструировали туннельный микроскоп, который может «видеть» атомы. Вскоре стало ясно, что с помощью такого микроскопа можно перемещать атомы с места на место, то есть, по сути, строить материю. Возникла идея создания молекулярного ассемблера, молекулярной машины, способной собирать другие молекулярные машины.

Подобная машина имеет принципиальную возможность собирать из атомов и молекул не только неорганическую материю, но и живые организмы, в том числе человека, беря на себя функцию Творца. Один из первых молекулярных ассемблеров был создан в американской компании Xerox Corporation.

Применение нанотехнологий создает небывалые возможности во многих областях. Самые сенсационные результаты могут быть получены в медицине. Возможно создание устройств размером в один квадратный сантиметр. Внедренное в поверхностные ткани человека, такое устройство самостоятельно произведет анализ крови, определит, какие лекарства необходимо назначить именно этому больному, и впрыснет их в кровь.

Новая технология сулит создание врачей-роботов, которые постоянно будут находиться в организме человека, устраняя повреждения, бесконечное количество раз регенерируя отмирающие клетки и тем самым, приостанавливая процесс старения. Вечная мечта человека о бессмертии может стать реальностью. По крайней мере, станут излечимыми многие смертельные болезни, в том числе и онкологические. Можно создать и хирургический скальпель размером в несколько атомов, который в организме «доползет» до больного органа и сделает нужную операцию без травмирования тканей.

А, например, для технологии хранения и обработки информации нанотехнология может привести к следующему.

Минимальные размеры современных коммерческих интегральных схем составляют около одного микрона; если бы эти размеры можно было бы уменьшить до десяти нанометров притом, что все остальное сохраняется без изменения, результатом было бы 10 в четвертой степени разовое увеличение плотности записи информации. Если бы это уменьшение сопровождалось десятикратным увеличением размера, результатом было бы возникновение вычислительных машин во столько же раз превосходящих современные вычислительные устройства, во сколько раз водородная бомба мощнее традиционных взрывчатых веществ.

В соответствие с исторической экстраполяцией можно ожидать, что на это может понадобиться около пятидесяти лет.

Эта все «вверх дном» переворачивающая концепция миниатюризации, по мнению наиболее активных сторонников нанотехнологии, существенно ускоряет выполнение программы, рассчитанной на длительный срок. В течение пятидесяти лет, а вероятно, и меньше, они рассчитывают разработать «молекулярную» технологию, основанную как на самосборочных технологических макромолекулярных узлах, так и на контролируемой сборке макро или даже микро молекулярных узлов с помощью того или иного устройства с нанометрической точностью.

Таким устройством в первом поколении может быть сканирующий микроскоп, самосборочный нанометрический позиционный инструмент, какие-либо сочетания того и другого, а также любая «биологически подобная» система, использующая канальный диффузионный перенос. В результате, возможно, появится трехмерная технология, где минимальные размеры изображения будут измеряться не в нанометрах, а размерами атомов (уже сейчас нанотехнологии используются при изготовлении видеодисков - DVD). Такие структуры будут, по меньшей мере, в триллионы раз плотнее по сравнению с сегодняшними коммерческими элементами.

В области кибернетики нанотехнологии обеспечат создание быстродействующих, долговременных белковых блоков памяти емкостью в триллионы байт. Рабочими частотами компьютеров станут терагерцовые. Наночипы будут иметь емкость памяти в несколько гигабайт. Это даст возможность создать компьютер, хранящий в памяти все достижения человечества, который поместиться в кармане.

Но, несмотря на прогресс, у данного направления уже сейчас много противников (например, среди служителей Церкви), пытающихся закрыть подобные исследования, так же как и клонирование.

лекция 1.3 программное обеспечение информационных технологий

1. Основные этапы решения задач на ЭВМ

Универсальность ЭВМ, их способность к целенаправленной переработке различных видов информации со скоростью, во много раз превышающей возможности человека, объясняют происходящий сейчас стремительный процесс расширения области применения машин для решения самых разнообразных по характеру и сложности задач.

Поручая компьютеру выполнение вычислительной работы, человек обязан прежде ввести в ЭВМ необходимые сведения в виде точной информации и строгих правил её обработки. При этом сведения должны быть представлены в той форме, которую машина способна воспринимать. Процесс организации такого рода взаимодействия человека и машины состоит из ряда взаимосвязанных этапов, объединяемых понятием «подготовка и решение задач на ЭВМ».

1.1 Формализация задачи

Для того чтобы можно было решить с помощью ЭВМ какую-нибудь задачу, её необходимо вначале четко и однозначно сформулировать в виде условных (например, математических) обозначений.

Формализация - представление задачи с помощью условных обозначений. В свою очередь формализация задачи включает в себя ряд элементов:

- формулирование условий задачи;

- анализ методов решения подобных задач;

- выбор методов решения.

Формулирование условий задачи

Сначала формулируется условие задачи, определяются допустимые значения исходных данных и форма выдачи результатов вычислений. Выбор формы выдачи результатов вычислений направлен на достижение возможности получения количественных характеристик, по которым можно будет оценить эффективность принятия тех или иных решений по достижению цели поставленной задачи.

Количественной мерой оценки эффективности при решении расчетных задач являются так называемые критерии эффективности. К ним относятся различные количественные показатели, в том числе и вероятностного характера. Например, в качестве критерия эффективности может быть принята вероятность появления желаемого события, достижения нужных параметров и т.п. Неправильный выбор критериев эффективности (рассчитываемых показателей) может подчас сделать весь расчет на ЭВМ невыполнимым, неэффективным или напрасным.

Анализ методов решения подобных задач

Далее анализируются известные методы решения подобных задач, их достоинства и недостатки, применимость к конкретному случаю. При этом может оказаться, что ни один из известных методов не подходит для решения конкретной задачи по причине сложности учета всех исходных данных, входящих в её условие. В этом случае формулируются ограничения, которые позволяют упростить расчет, не меняя при этом сущности задачи. Иначе говоря, в расчетах не используются второстепенные, не имеющие принципиального значения исходные данные.

Выбор методов решения

С учетом указанных факторов окончательно выбирается метод решения задачи, устанавливающий зависимость искомых результатов от исходных данных и обеспечивающий разбивку вычислительного процесса на ряд элементарных операций. Не исключена ситуация, когда поставленная задача вообще не имеет аналогов или подходов к решению среди известных и применяемых методов обработки информации. Тогда перед разработчиками встает проблема создания нового (иногда экспериментального) метода решения данной задачи и описания последовательности ее выполнения на основе сформулированных правил.

1.2 Алгоритмизация решения задачи

Оценив исходные условия и выбрав метод решения конкретной задачи, переходят к её алгоритмизации, т.е. составлению подробного алгоритма действий (плана) выполнения задачи.

Алгоритм - последовательность элементарных операций над исходными данными с целью получения конечного результата на основе выбранного метода решения задачи.

К любым алгоритмам предъявляется ряд требований: определенность, массовость, результативность.

Определенность алгоритма предполагает однозначность толкования конечного числа всех этапов требуемых операций.

Массовость алгоритма обеспечивает его применимость к любым допустимым значениям исходных данных.

Результативность алгоритма дает возможность получить за конечное число шагов вычисление искомого результата.

1.3. Программирование решения задачи

Машинная реализация составленного алгоритма решения задачи выполняется в процессе программирования. На этом этапе алгоритм записывается в виде программы решения задачи на ЭВМ. Для того чтобы описание алгоритмов стало понятным машине, используются различные языки программирования. С их помощью из отдельных элементов (операторов) записывается текст программы.

Программа - последовательность операторов, каждый из которых является соответствующей инструкцией для выполнения необходимой арифметической или логической операции.

На сегодняшний день разработано довольно-таки большое количество языков программирования (несколько тысяч). Каждый из них предназначен для использования при решении определенного класса задач (вычислительных, логических, моделирования, реализации баз и банков данных и т.д.). Среди наиболее известных языков программирования: PASCAL, BASIC, C (C++, C#), JAVA, PHP и многие другие.

Программа на языке программирования принципиально не зависит от того, на каком типе ЭВМ будет решаться данная задача. Вместе с тем для каждой программы требуется выполнить ее перевод на так называемый машинный язык данной ЭВМ (т.е. внутренний, конкретно управляющий аппаратурой именно этого компьютера или класса подобных компьютеров). Для этой цели существуют специальные программные средства, называемые трансляторами.

Трансляция (с англ. - перевод) осуществляется автоматически при вводе программы задачи в ЭВМ. В процессе трансляции программа расчленяется на соответствующие машинные операции, которые может выполнять данная ЭВМ.

Последовательность команд, реализующих эти операции, и образует машинную программу решения задачи, записанную на определенном для данного типа ЭВМ машинном языке. Каждая из таких команд содержит: код операции, которую должна выполнить машина; адреса ячеек памяти, в которых хранятся числа, участвующие в выполнении данной операции; адрес ячейки памяти, куда должен быть помещен результат, полученный после вычислений.

Дальнейшим развитием этого направления было создание программных средств трансляции, выполненных на более высоком уровне. Они позволяют не просто в текущем режиме преобразовывать (транслировать) инструкции языка программирования в машинные коды (команды), но и создавать уже готовые для выполнения, загружаемые в оперативную память программные модули.

Данный процесс получил название компиляции, а соответствующие программные средства - компиляторы.

На современном этапе рассматриваемые программные средства интегрировались в единые системы разработки программного обеспечения. Такие системы сочетают возможности разработки программ на одном из языков программирования с трансляцией и компиляцией в загружаемые программные модули. Последними достижениями являются так называемые CASE-средства. Их использование уже не требует знания конкретного языка программирования. Разработка программ сводится к визуальному конструированию основных компонентов системы: пользовательского интерфейса, элементов данных, функций обработки данных в программе и т.д. При этом программный код (загружаемый программный модуль) формируется автоматически.

1.4 Отладка программы и ее эксплуатация

Этап программирования задачи завершается отладкой (выявлением ошибок, их исправлением, внесением изменений и т.д.) всех блоков разработанной программы, а также пробным решением контрольного варианта задачи. Следует оговориться, что бывают случаи, когда проверить работоспособность, надежность, правильность функционирования разработанной программы по тем или иным причинам нельзя или крайне затруднительно.

После контрольного прогона задачи (если он возможен и существует) устраняются выявленные недостатки и ошибки в технологии решения.

Затем наступает очередь опытной эксплуатации программы - проверка решения основной задачи. В случае успешного её решения программа принимается в постоянную эксплуатацию и сдается на хранение на машинных носителях информации, откуда она может быть вызвана при необходимости решения аналогичных задач.

Далее начинается коммерческая часть распространения программы и ее эксплуатация конечными пользователями.

2. Понятие и состав программного обеспечения ЭВМ

2.1 Программное обеспечение персонального компьютера

Работа современных ЭВМ осуществляется по заранее подготовленным программам. Поэтому программы являются необходимой составной частью ЭВМ.

Ранее также было отмечено, что структурно любая программа для ЭВМ представляет собой себя последовательность команд, на элементарном уровне указывающих процессору ЭВМ какие действия с информацией необходимо осуществить, как организовать требуемые информационные потоки, вопросы считывания и записи в памяти машины. Исходя из необходимости такого детального распределения действий всех устройств компьютера, программы для сложной обработки информации являются значительными по объему, требуют тщательного, безошибочного написания, обеспечения возможностей быстрой проверки и т.д.

Поэтому реализация хороших, эффективных программных средств в настоящее время в мире является прерогативой целой индустрии разработки программного обеспечения. Уровень затрат, которые тратятся на разработку программных продуктов в некоторой степени может быть проиллюстрирован стоимостью программ.

Некоторые из них стоят десятки миллионов долларов, некоторые стоят десятки долларов, но общая тенденция говорит о превышении стоимости программных средств над стоимостью аппаратных.

Отмеченное положение еще с одной точки зрения характеризует важность и значимость программного обеспечения ЭВМ. Об этом же, в частности, указывает и тот факт, что одним из самых распространенных компьютерных преступлений сейчас является именно кража программного обеспечения с целью последующей его продажи.

К настоящему времени для различных классов вычислительной техники разработано и эксплуатируется большое множество программ. Среди них наиболее распространены, универсальны, удобны и поэтому привлекательны для массового пользователя программы, созданные для персональных ЭВМ.

Данное направление программных средств уже насчитывает десятки тысяч разнообразных программ и продолжает расширяться наиболее значительными темпами.

К тому же в структуре программного обеспечения персональных ЭВМ имеются различные по типам программы, которые реализуют основные идеи компьютерной обработки информации, применяемые в мировой практике и, в том числе, для других классов вычислительной техники.

Исходя из этого, дальнейшее изложение состава и назначения программного обеспечения ЭВМ проведем, ориентируясь именно на персональные ЭВМ.

2.2 Общая характеристика и состав программного обеспечения ЭВМ

Программное обеспечение ЭВМ - это комплекс рабочих программ и инструкций к ним, обеспечивающих автоматическое функционирование вычислительной системы, а также решение различных прикладных задач.

Состав программного обеспечения ЭВМ.

В существующем программном обеспечении персональных ЭВМ выделяют следующие основные классы:

операционные системы, сервисные программы и утилиты;

инструментальные средства и системы программирования;

прикладные системы и программы.

Первые два класса программ еще обобщают как - системное программное обеспечение.

А прикладные системы и программы в целом образуют прикладное программное обеспечение.

Тем самым определяется различие программных средств по их назначению и роли в технологическом и функциональном процессе работы с ЭВМ.

Операционные системы - обслуживают работу аппаратных средств компьютера и дают возможности прикладным программам обращаться к внешним устройствам, а пользователю - в целом управлять работой машины через соответствующие команды.

Сервисные программы и утилиты - обеспечивают наглядность, простоту и иные удобства в выполнении рутинных, каждодневных задач общего управления ЭВМ и обработки информации.

Инструментальные средства и системы программирования - являются особой категорией среди всех классов программных средств. С их помощью создаются все другие программы. Эта категория программных средств аналогична средствам производства в промышленности: информация в виде текстовых, числовых, графических данных является сырьем для обработки указанными программами.

Прикладные системы и программы - предназначены для решения конкретных информационных задач. Они являются законченными программными продуктами и обращены к самому распространенному кругу пользователей, которые не обязаны уметь программировать или даже глубоко знать устройство ЭВМ.

Таким образом, все представленные виды программных средств действительно можно разделить на два больших класса - системное и прикладное программное обеспечение. Системное программное обеспечение ориентировано на решение задач управления системой аппаратных средств компьютера и выполнения типовых задач обмена информацией как пользователя с машиной, так и между отдельными устройствами ЭВМ.

Решение же всех конкретных задач обработки информации на компьютере возложено на прикладное программное обеспечение, которое позволяет пользователям ЭВМ реализовывать их специфические и универсальные требования в обработке информации.

Прикладные системы и программы предназначены для решения конкретных информационных задач, являются законченными программными продуктами и обращены к пользователям, которые в общем случае не обязаны уметь программировать или достаточно глубоко знать устройство ЭВМ.

Виды прикладных программных средств - специализированные и широкого назначения.

Специализированные созданы для конкретных уникальных или узкоспециализированных задач обработки информации. Поэтому они имеют довольно редкое применение на практике.

Прикладные программы широкого назначения предназначены для реализации типовых задач обработки информации, встречающихся в самых различных направлениях деятельности человека.

К числу основных видов прикладного программного обеспечения относятся:

- программы обработки текстовой информации;

- программы электронных таблиц;

- программы управления базами и банками данных;

- правовые базы данных;

- бухгалтерские программы;

- программы - переводчики;

- издательские системы;

- программы обработки графической информации;

- интегрированные пакеты прикладных программ и др.

В каждом из этих видов могут встречаться программы специализированные и широкого назначения. Программные средства, разработанные на высоком уровне с предоставлением пользователю широких возможностей в конкретной области обработки информации, получили название программные процессоры. Например, текстовые процессоры, табличные процессоры и т.д.

ТЕМА 2. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ

1. Эволюция операционных систем

За полувековой период своего существования операционные системы (ОС) прошли сложный путь. Огромное влияние на их развитие оказали успехи в совершенствовании элементной базы и вычислительной аппаратуры. Поэтому многие ОС связаны с новыми аппаратными платформами: мини или персональными компьютерами. Серьезную эволюцию для них была и в связи с новой ролью компьютеров в локальных и глобальных сетях. Важнейшим фактором развития ОС стал Интернет. С глобализацией этой сети, ОС становятся все более простыми и удобными в использовании, разнообразно поддерживают мультимедийную информацию, надежнее защищаются.

1.1 Появление первых операционных систем

Выше отмечено, что идея компьютера была предложена Ч. Бэббиджем в середине XIX века. Его механическая «аналитическая машина» так и не смогла по-настоящему заработать, потому что те технологии не удовлетворяли требованиям, необходимым для изготовления нужных деталей точной механики. Конечно, никакой речи об операционной системе для этого «компьютера» не шло.

Рождение цифровых электронных вычислительных машин произошло вскоре после Второй мировой войны. Были созданы первые ламповые вычислительные устройства. Причем одни и те же люди проектировали, эксплуатировали и программировали ЭВМ. Это была скорее научно-исследовательская работа в вычислительной технике, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических прикладных задач. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Системного программного обеспечения не было, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм. Их программист использовал, чтобы не писать каждый раз коды, вычисляющие значение какой-либо математической функции или управляющие стандартным устройством ввода-вывода. Все задачи организации вычислительного процесса решались вручную (вместо ОС) каждым программистом с пульта управления - примитивного устройства ввода-вывода из кнопок, переключателей и индикаторов.

С середины 50-х годов на основе полупроводников началось 2-е поколение компьютеров. Выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти. ЭВМ стали более надежными, могли непрерывно работать столько, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.

Наряду с аппаратным, наблюдался заметный прогресс и в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. Появились алгоритмические языки, и таким образом к библиотекам математических и служебных подпрограмм добавился новый тип системного программного обеспечения - трансляторы.

В программы стали включать большое количество вспомогательных работ: загрузка нужного транслятора (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ и т.п.), его запуск и получение результирующей программы в машинных кодах, связывание программы с библиотечными подпрограммами, загрузка программы в оперативную память, запуск программы, вывод результатов на периферийное устройство. Для эффективного использования таких возможностей в штат многих вычислительных центров ввели должности операторов, выполнявших работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра.

Но работа операторов не могла состязаться в производительности с работой устройств компьютера. Большую часть времени процессор простаивал в ожидании, пока оператор запустит очередную задачу. А поскольку процессор был весьма дорогим, то низкая эффективность его использования означала низкую эффективность использования компьютера в целом. Поэтому были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса.

Системы пакетной обработки явились прообразом современных ОС, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки конкретных данных, а для управления вычислительным процессом.

В ходе их реализации создали формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой последовательности он хочет выполнить на вычислительной машине. Типовой набор директив обычно включал признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных.

Оператор составлял пакет заданий, которые затем без его участия последовательно запускались на выполнение управляющей программой-монитором. Кроме того, программа-монитор могла самостоятельно обрабатывать наиболее часто встречающиеся при работе пользовательских программ аварийные ситуации (отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т.д.). Обычно пакет был набором перфокарт, но для ускорения работы мог переноситься на более удобный и емкий носитель, например, на магнитную ленту или магнитный диск.

Ранние системы пакетной обработки значительно сократили затраты времени на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса и значительно повысили эффективность использования ЭВМ. Но программисты-пользователи лишились непосредственного доступа к управлению компьютером, что снижало эффективность их работы -- внесение любого исправления требовало значительно больше времени, чем при интерактивной работе за пультом машины.

1.2 Появление мультипрограммных операционных систем

Следующий важный период развития ОС - это 1965-1975 годы.

В технической базе ЭВМ был переход к интегральным микросхемам и, фактически, к новому поколению. Большие функциональные возможности интегральных схем сделали возможным реализацию на практике сложных компьютерных архитектур, как, например, IBM/360.

Тогда были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, поддержка многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа. Начинается расцвет системного программирования. Из области прикладной математики (для узкого круга специалистов) системное программирование превращается в отрасль индустрии, оказывающую непосредственное влияние на практическую деятельность миллионов людей.

Революционным событием стала промышленная реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование -- способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Это значительно улучшило эффективность ЭВМ. Она теперь могла использоваться почти постоянно, а не менее половины рабочего времени, как это было раньше.

Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах - в системах пакетной обработки и разделения времени.

Мультипрограммные системы пакетной обработки так же, как и их однопрограммные предшественники, имели своей целью обеспечение максимальной загрузки аппаратуры компьютера, но решали эту задачу более эффективно. В мультипрограммном пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода (как это происходило при последовательном выполнении программ в системах ранней пакетной обработки), а переключался на другую готовую к выполнению программу. Этим достигалась сбалансированная загрузка всех устройств компьютера, а, следовательно, увеличивалось число задач, решаемых в единицу времени.

Но и здесь пользователь по-прежнему был лишен возможности интерактивно взаимодействовать со своими программами. Для того чтобы хотя бы частично вернуть пользователям ощущение непосредственного взаимодействия с компьютером, был разработан другой вариант мультипрограммных систем -- системы разделения времени. Этот вариант рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом. В числе первых ОС разделения времени, разработанных в середине 60-х годов, были TSS/360 (компания IBM), CTSS и MULTICS (Массачусетский технологический институт совместно с Bell Labs и компанией General Electric). Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, был нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного владения вычислительной машиной за счет периодического выделения каждой программе своей доли процессорного времени. В системах разделения времени эффективность использования оборудования ниже, чем в системах пакетной обработки, что явилось платой за удобства работы пользователя.

Многотерминальный режим использовался не только в системах разделения времени, но и в системах пакетной обработки. Теперь и оператор, и все пользователи получали возможность формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. Такие ОС получили название систем удаленного ввода заданий. Терминальные комплексы могли располагаться на большом расстоянии от процессорных стоек, соединяясь с ними с помощью различных глобальных связей - модемных соединений телефонных сетей или выделенных каналов.

К этому времени можно констатировать существенное изменение в распределении функций между аппаратными и программными средствами компьютера. ОС становились неотъемлемыми элементами компьютеров, играя роль «продолжения» аппаратуры. В первых вычислительных машинах программист, напрямую взаимодействуя с аппаратурой, мог выполнить загрузку программных кодов, используя пультовые переключатели и лампочки индикаторов, а затем вручную запустить программу на выполнение, нажав кнопку «пуск». В компьютерах 60-х годов большую часть действий по организации вычислительного процесса взяла на себя ОС. (В большинстве современных компьютеров не предусмотрено даже теоретической возможности выполнения какой-либо вычислительной работы без участия ОС. После включения питания автоматически происходит поиск, загрузка и запуск ОС, а в случае ее отсутствия компьютер просто останавливается.)

Важной тенденцией этого периода является создание семейств программно-совместимых машин и ОС для них. Программная совместимость требовала и совместимости ОС. Однако такая совместимость подразумевает возможность работы на больших и малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. ОС, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными. Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. ОС этого поколения были очень дорогими. Так, разработка OS/360, объем кода для которой составил 8 Мбайт, стоила компании IBM 80 миллионов долларов.

1.3 Операционные системы и глобальные сети

В начале 70-х годов появились первые сетевые ОС, которые в отличие от многотерминальных позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, соединенными каналами связи. Любая сетевая ОС, с одной стороны, выполняет все функции локальной, а с другой - обладает некоторыми дополнительными средствами. Они позволяют ей взаимодействовать по сети с ОС других компьютеров. Программные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в ОС постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

Хотя теоретические работы по созданию концепций сетевого взаимодействия велись почти с самого появления вычислительных машин, значимые практические результаты по объединению компьютеров в сети были получены в конце 60-х годов. Тогда с помощью глобальных связей и техники коммутации пакетов удалось реализовать взаимодействие рядовых машин и суперкомпьютеров. Эти дорогостоящие компьютеры часто хранили уникальные данные и программы, доступ к которым необходимо было обеспечить широкому кругу пользователей, находившихся в различных городах на значительном расстоянии от вычислительных центров.

1.4 Операционные системы мини-компьютеров и первые локальные сети

К середине 70-х годов широкое распространение получили мини-компьютеры, такие как PDP-11, Nova, HP. Мини-компьютеры первыми использовали преимущества больших интегральных схем, позволившие реализовать достаточно мощные функции при сравнительно невысокой стоимости компьютера.

Архитектура мини-компьютеров была значительно упрощена, что нашло отражение и в их ОС. Многие функции мультипрограммных многопользовательских ОС были усечены, учитывая ограниченность ресурсов мини-компьютеров. ОС мини-компьютеров часто стали делать специализированными, например, только для управления в реальном времени (ОС RT-11 для мини-компьютеров PDP-11) или только для поддержания режима разделения времени (RSX-11M для тех же компьютеров). Эти ОС не всегда были многопользовательскими, что во многих случаях оправдывалось невысокой стоимостью компьютеров.

Важной вехой в истории мини-компьютеров и вообще в истории ОС явилось создание UNIX. Первоначально эта ОС предназначалась для поддержания режима разделения времени в мини-компьютере PDP-7. С середины 70-х годов началось массовое использование ОС UNIX. К этому времени программный код для UNIX был на 90 % написан на языке высокого уровня Си. Широкое распространение эффективных Си-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС, обладающей возможностью сравнительно легкого переноса на различные типы компьютеров. Поскольку она поставлялась вместе с исходными кодами, то стала первой открытой ОС, которую могли совершенствовать простые пользователи-энтузиасты. Хотя UNIX была первоначально разработана для мини-компьютеров, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров: суперкомпьютерах, больших компьютерах, мини-компьютерах, серверах и рабочих станциях, персональных компьютерах.

Доступность мини-компьютеров и вследствие этого их распространенность на предприятиях послужили мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие могло себе позволить иметь несколько мини-компьютеров, находящихся в одном здании или даже в одной комнате. Первое сетевое приложение для ОС UNIX появилось в 1976 году и начало распространяться с версией 7 UNIX с 1978 года.

1.5 Развитие операционных систем в 80-е годы

К наиболее важным событиям этого десятилетия можно отнести становление Интернета, стандартизацию технологий локальных сетей, появление персональных компьютеров и операционных систем для них.

Все десятилетие было отмечено постоянным появлением новых, все более совершенных версий ОС UNIX, в которых производители компьютеров адаптировали код ядра и системных утилит для своей аппаратуры.

Начало 80-х годов связано с еще одним знаменательным для истории ОС событием -- появлением персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость была существенно ниже. Если мини-компьютер позволил иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер дал такую возможность отдельному человеку. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения, и предоставление этих «дружественных» функций стало прямой обязанностью ОС. Персональные компьютеры послужили также мощным катализатором для бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен компьютеров, принадлежащих одному предприятию и расположенных в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

Однако и дружественный интерфейс, и сетевые функции появились у операционных систем персональных компьютеров не сразу. Первая версия наиболее популярной операционной системы раннего этапа развития персональных компьютеров - MS-DOS компании Microsoft - была лишена этих возможностей. Это была однопрограммная однопользовательская ОС с интерфейсом командной строки, способная стартовать с дискеты. Основными задачами для нее были управление файлами, расположенными на гибких и жестких дисках в UNIX-подобной иерархической файловой системе, а также поочередный запуск программ.

Недостающие функции для MS-DOS и подобных ей ОС компенсировались внешними программами, предоставлявшими пользователю удобный графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров оказала операционная среда Windows компании Microsoft, представлявшая собой надстройку над MS-DOS.

Сетевые функции также реализовывались в основном сетевыми оболочками, работавшими поверх ОС. При сетевой работе всегда необходимо поддерживать многопользовательский режим, при котором один пользователь - интерактивный, а остальные получают доступ к ресурсам компьютера по сети. В таком случае от операционной системы требуется хотя бы некоторый минимум функциональной поддержки многопользовательского режима. История сетевых средств MS-DOS началась с версии 3.1. Эта версия MS-DOS добавила к файловой системе необходимые средства блокировки файлов и записей, которые позволили более чем одному пользователю иметь доступ к файлу. Пользуясь этими функциями, сетевые оболочки могли обеспечить разделение файлов между сетевыми пользователями.

Сетевые оболочки для персональных компьютеров выпускали и другие компании: IBM, Artisoft, Performance Technology и другие.

Иной путь выбрала компания Novell. Она изначально сделала ставку на разработку операционной системы со встроенными сетевыми функциями и добилась на этом пути выдающихся успехов. Ее сетевые операционные системы NetWare на долгое время стали эталоном производительности, надежности и защищенности для локальных сетей. Первая сетевая операционная система компании Novell появилась на рынке в 1983 году и называлась OS-Net.

Для персональных компьютеров применялись не только специально разработанные для них операционные системы, подобные MS-DOS и NetWare, но и адаптировались уже существующие ОС. Появление процессоров Intel 80286 и особенно 80386 с поддержкой мультипрограммирования позволило перенести на платформу персональных компьютеров ОС UNIX. Наиболее известной системой этого типа была версия UNIX компании Santa Cruz Operation (SCO UNIX).

...