2019История развития ЭВМ. История развития ЭВМ
 Скачать 43.81 Kb.
|
|
История развития ЭВМ История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. Дальнейшие развития науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе. В феврале 1944 года на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) была создана машина "Mark 1". Это был монстр весом около 35 тонн. В "Mark 1" использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины. Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением. Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.) Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - американский ученый, который в 1945 г сформулировал общие принципы, положенные в основу построения подавляющего большинства компьютеров. Элементной базой компьютеров первого поколения былиэлектронные лампы (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, эпоха становления вычислительной техники. Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм. Машины этого поколения: « ENIAC », «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал» (занимаемая площадь 50 кв. м.), «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2—3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду. Второе поколение ЭВМ (1955-1964) В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Второе отличие этих машин — это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16» (занимаемая площадь 20 кв. м.), «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др. Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Третье поколение ЭВМ (1965-1974) Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение. В 1971 г. фирма Intel, выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. В конце 1973 г. Intel разработала однокристальный 8-разрядный МП 8080, рассчитанный для многоцелевых применений. Стив Возняк (будущий «отец» компьютеров Apple) собрал свой первый компьютер в 1972 году из деталей, забракованных местным производителем полупроводников в городе Беркли, штат Калифорния. Стив назвал свое изобретение Cream Soda Computer, поскольку пил именно этот напиток во время сборки аппарата. Четвертое поколение ЭВМ Обычно считается, что период с 1975 г. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС. В одном кристалле интегрированно до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1975-1985 г.г. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему-с половиной" поколению компьютеров. И только с 1985г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС. В кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов.), следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день. Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям: 1-ое направление — создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. "Эльбрус-2" эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2" с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах. 2-ое направление — дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являются Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др. Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами. 1983-1984 гг. – появились первые 32-разрядные микропроцессоры на мировом рынке, но их широкое использование в высокопроизводительных ПК началось с 1985 г. после выпуска фирмами Intel и Motorola микропроцессоров 80386 и М68020 соответственно. Эти БИС открыли новое микропроцессорное поколение, реализующее обработку данных на уровне "больших" ЭВМ. В 1989 г. был начат выпуск более мощного МП 80486 с быстродействием более 50 млн. операций в секунду. В марте 1993 г. фирма Intel продолжает ряд 80х86 выпуском микропроцессора Р5 "Pentium" с 64-разрядной архитектурой. Потом были "Pentium 2", "Pentium 3". Сегодня самым популярным МП является "Pentium 4". Тактовые частоты современных ПК превышают 3 ГГц, объемы оперативной памяти до 4 ГБ. Емкость накопителей на жестких дисках выросла до 500 ГБ. Широкое распространение получили сегодня переносные ПК - noutebook, карманные ПК (КПК) и мобильные ПК – смартфоны, объединяющие функции ПК и телефона. Пятое поколение ЭВМ ЭВМ пятого поколения — это ЭВМ будущего. Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры. На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области. Шестое и последующие поколения ЭВМ Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Магистрально-модульный принцип построения компьютера Компьютер (ЭВМ) — это универсальное электронное программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации. Архитектура ЭВМ — это общее описание структуры и функций ЭВМ на уровне, достаточном для понимания пользователем принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитектура не включает в себя описание деталей технического и физического устройства компьютера. Основные компоненты архитектуры ЭВМ: - процессор, - внутренняя (основная) память, - внешняя память, - устройства ввода, - устройства вывода. Самым массовым типом ЭВМ в настоящее время является персональный компьютер (ПК). ПК — это малогабаритная ЭВМ, предназначенная для индивидуальной работы пользователя и оснащенная удобным для пользователя (дружественным) программным обеспечением. Основным устройством компьютера является микропроцессор (МП). Это миниатюрная электронная схема, созданная путем очень сложной технологии и выполняющая функцию процессора ЭВМ. Процессор находится внутри системного блока на материнской плате, там же располагается и внутренняя память компьютера. Внутри системного блока также помещаются: блок питания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Системный блок обычно снабжен внутренним вентилятором для охлаждения. Кроме системного блока в обязательный минимальный комплект ПК входят клавиатура и монитор (дисплей). Дополнительно к ПК могут быть подключены: принтер, манипулятор типа "мышь", модем, сканер и др. Все устройства ПК, кроме процессора и внутренней памяти, называются внешними устройствами. Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором через специальный блок, который называется контроллером (от англ, controller — контролер, управляющий). Другое название — адаптер. Практически все модели современных ПК имеют магистральный тип архитектуры (в том числе самые распространенные в мире IBM PC, а также Apple Macintosh).. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через информационную магистраль (другое название — общая шина). Магистраль — это кабель, состоящий из множества проводов. По одной группе проводов (шина данных) передается обрабатываемая информация, по другой (шина адреса) — адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть магистрали — шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.) Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине (как письмо сопровождается адресом на конверте). Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства. В современном ПК реализован принцип открытой архитектуры. Этот принцип позволяет менять состав устройств (модулей) ПК. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение внутренней памяти, замена микропроцессора на более совершенный. Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали осуществляется через специальный блок — контроллер (адаптер). Программное управление работой устройства производится через программу — драйвер, которая является компонентом операционной системы (ОС). Процессор и его характеристики Процессор — это центральное устройство компьютера. Назначение процессора: - управлять работой ЭВМ по заданной программе; - выполнять операции обработки информации. Процессор выполняет команды на языке машинных команд в двоичном коде. Тактовая частота Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовых частот (ГТЧ). ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри компьютера. В ритме этого метронома работает процессор. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если "метроном стучит" быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в герцах — Гц. Частота 1 МГц соответствует миллиону тактов в 1 секунду. Частота 1 ГГц – 1000000000 Гц. Следовательно, производительность ПК, т.е. быстрота выполнения операций, зависит от частоты. Разрядность процессора Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Адресное пространство Адресное пространство — это диапазон адресов (множество адресов), к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит п бит, то размер адресного пространства равен 2п байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины). Например, если компьютер имеет 16-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 216 = 64 Кбайт, а при 32-разрядной адресной шине адресное пространство равно 232 = 4 Гбайт. Устройства ввода/вывода информации Устройства, с помощью которых информация или вводится в компьютер или выводится из него, называются внешними (периферийными) или устройствами ввода/вывода данных. Устройства ввода информации Клавиатура Служит для ввода информации в ЭВМ и подачи управляющих сигналов. Клавиатура содержит стандартный набор клавиш печатающей машинки и некоторые дополнительные клавиши. Внутри нее имеется микросхема-шифратор, которая преобразует сигнал от конкретной клавиши в соответствующий данному знаку двоичный код. Сканер Предназначен для ввода в компьютер представленных в печатном виде текстовых и графических данных. Сканеры бывают ручными (которыми проводят сверху по листу), планшетными (лист кладется внутрь сканера) и барабанными (лист протягивается через сканер специальным барабаном). Дигитайзер Устройство для "оцифровки" изображений. Позволяет преобразовать изображение в цифровую форму для обработки на компьютере. Суть оцифровки: изображение сканируется и каждой его точке присваивается координата и номер цвета. После ввода в компьютер изображение можно редактировать. Дигитайзер используется в системах обработки изображений, например в полиграфии, в архитектурном проектировании. Графический планшет Планшет со специальным покрытием, на которое можно положить лист бумаги, писать и рисовать на нем, и все, что написано, будет введено в компьютер в виде изображения. Цифровая фотокамера Фотоаппарат, записывающий изображение не на фотопленку, а на одну из карт памяти. Изображение переводится в цифровую форму и хранится в памяти фотокамеры, фотокамера может хранить несколько сотен кадров. После съемки фотокамера присоединяется к компьютеру, кадры переписываются на винчестер и воспроизводятся на экране монитора. При желании их можно распечатать на принтере. Манипуляторы Служат для быстрого перемещения курсора по экрану. Наиболее распространенным среди них является манипулятор "мышь" (или просто мышь). Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся в ладони. Внутри корпуса имеется шар, который при движении мыши катится по поверхности и передает свое движение специальным роликам. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и ее движения трансформируются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. Сверху устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществить выбор меню и т. п. Разновидности манипуляторов типа «мышь»: механическая и оптическая с проводом и беспроводная. Трекбол напоминает механическую мышь, повернутую вверх ногами. В отличие от мыши трекбол не требует свободного пространства около ЭВМ, его можно встроить в корпус машины. Джойстик (от англ, joystick — палочка радости) представляет собой рукоятку с кнопками и применяется, как правило, для игр и тренажеров. Чувствительный экран Общение с ЭВМ осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту чувствительного к прикосновениям экрана. Этим реализуется нужная команда, например, выбирается необходимый режим или информация из меню, показанного на экране дисплея. Модем Используется для соединения компьютера с другими компьютерными системами через телефонную сеть. Пользователь, подключивший свой компьютер в такую сеть, получает доступ к практически неограниченному объему информации. Компьютерные сигналы — это сигналы постоянного тока. Телефонная сеть их передавать не может. Для преобразования компьютерных сигналов в сигналы, способные передаваться по телефонной сети (иными словами, для их модуляции — преобразования в комбинацию звуковых сигналов различной частоты), применяют специальное устройство, называемое модемом (сокращение слов МОдулятор — ДЕМодулятор). Модемы различаются скоростью передачи данных, которая может составлять 56 и более Кбод. Модемы по исполнению бывают встроенными в системный блок компьютера или внешними, подключаемыми к компьютеру через коммуникационный порт. По своему назначению модемы можно отнести как к устройствам ввода, так и к устройствам вывода информации. Устройства вывода информации Монитор Устройство отображения информации на экране электронно-лучевой трубки или жидко-кристаллического дисплея. Монитор подключается к компьютеру с помощью видеокарты. Работает в одном из двух режимов — текстовом или графическом. В текстовом режиме экран состоит из строк и столбцов, например, в программе FAR можно задать режим работы 80 столбцов и 25 строк. В графическом режиме экран состоит из отдельных точек — пикселей). Каждый пиксель имеет свой цвет. Современные компьютеры в основном оснащаются мониторами SVGA со следующими характеристиками: число цветов — от 65536 (16 бит) для ЖКмониторов до нескольких миллиардов; разрешение – до 2048x1536; размер экрана — 14, 15, 17, 19, 21 дюймов; кадровая частота от 60 до 120 и более Гц; расстояние между пикселями 0,24 мм. Принтер Устройство для вывода на бумагу текстов и графических изображений. В настоящее время используются несколько типов принтеров. Матричный (или точечно-матричный) принтер. Принцип действия такого принтера основан на том, что печатающая головка, содержащая металлические иголки, движется вдоль печатаемой строки. Иголки в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту — изображение формируется из отдельных точек. Красящая лента может быть намотана на катушку (как в пишущей машинке) или уложена в специальную коробку (картридж). Матричные принтеры — наиболее дешевые. Качество печати у них, как правило, невысокое. Скорость печати в среднем — 1 страница в минуту. Матричные принтеры редко бывают цветными. В настоящее время используются в банках. Струйный принтер. В принтерах этого типа мельчайшие капли краски выдуваются на бумагу через крошечные сопла. Эти принтеры обеспечивают достаточно высокое качество печати. Скорость печати от 1 до двадцати страниц в минуту. Существуют цветные и монохромные (черно-белые) струйные принтеры. Лазерный принтер, В таких принтерах частицы краски переносятся со специального красящего барабана на бумагу посредством электрического поля. Чтобы красящий порошок закрепился, специальный механизм проводит бумагу через нагревательный элемент, и краска спекается. Качество печати — высокое. Разрешающая способность лазерных принтеров от 600 до 1200 точек на дюйм. Скорость печати в среднем — до 50 страниц в 1 минуту. Существуют цветные и черно-белые лазерные принтеры. Есть тип лазерных принтеров, называемых фазерами (Phaser), в которых используется другая технология по сравнению с обычными лазерными принтерами. В этих принтерах напыленная краска не спекается, а расплавляется, а затем быстро высушивается, т. е. краска испытывает фазовый переход (отсюда название). В результате получается водостойкое слегка выпуклое изображение. Плоттер (графопостроитель) Служит для вывода на бумагу чертежей. Изображение создается двигающимися по листу перьями с цветной тушью. Обычный плоттер может выводить чертеж на лист размером до AI (841x594 мм). Существуют и большие плоттеры, выводящие изображение на лист размером до 3x3 м. Скорость печати для листа AI средней наполненности — до 1 час. Мультимедийные компоненты Мультимедиа — это специальная технология, позволяющая с помощью программ и технических устройств объединить на компьютере обычную информацию — текст и графику — со звуком и движением. Привод CD-ROM функционально аналогичен дисководу, но предназначен для чтения компакт-дисков. Компакт-диск, подобно дискете, служит для хранения различных данных, в т. ч. аудио- и видеоинформации, представленной в двоичном виде. Звуковая карта — устройство (плата-контроллер) для преобразования в звуки цифровой аудиоинформации. К выходу звуковой карты можно подключить усилитель звукового сигнала и колонки для воспроизведения стереозвука. Компьютер, оснащенный приводом CD-ROM и звуковой картой, называется мультимедийным, Прочие устройства Сетевая карта позволяет подключать компьютер в локальную сеть, что дает пользователю возможность получать доступ к информации в других компьютерах. Источник бесперебойного питания — обеспечивает кратковременное продолжение работы при сбое или полном отключении питания и сети. (ИБП, UPS) ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В целом ОС – ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА – это комплекс служебных программ, обеспечивающих наилучшее (оптимальное) управление всеми устройствами и ресурсами компьютера. Наиболее распространенная сегодня ОС – это Windows фирмы Microsoft. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением операционных систем. Не один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой операционной системы, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователь взаимодействует со своими программами через интерфейс. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладные программы, проходят через операционные системы, основными функциями, которые выполняются операционной системой, являются: 1) приём от пользователя заданий или команд, формулированных на соответствующем языке и их обработка; 2) приём и исполнение программы запроса на запуск/приостановку других программ; 3) загрузка в оперативную память, подлежащие исполнению, программы; 4) инициализация программ (передача ей управления), в результате чего процессор использует программу; 5) идентификация программ; 6) обеспечение работы системы управления файлами базы данных, что позволяет резко увеличить эффективность программного обеспечения; 7) обеспечение режима мультипрограммирования, т.е. выполнение двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения; 8) обеспечение функции по организации и управления всеми операциями ввода и вывода; 9) удовлетворение жёстким ограничениям на время в режиме реального времени; 10) распределение памяти: а) организация виртуальной памяти; б) в большинстве современных систем. 11) планирование и диспетчеризация в соответствии с заданием; 12) организация м-ма обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами; 13) защита одной программы от влияния других программ, обеспечение сохранение данных; 14) предоставление услуг на случай частичного сбоя системы; 15) обеспечение работы системы программ, с помощью которых пользователи готовят свои программы. Как правило, все современные операционные системы имеют систему управления памятью. Назначающаяся СУП-организация более удобного доступа к данным организациям как файл. Ряд операционных систем позволяют работать с несколькими файловыми системами одновременно. В этом случае говорят о вмонтированной файловой системе, т.е. дополнительную память можно установить. Есть простейшие операционные системы, которые могут работать и без файловых систем или только с одной стороны из файловых систем. Любая система управления файлами разработана для работы конкретной операционной системы и конкретной файловой системы. Например, известная файловая система FAT. Операционная система выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователя. Такая среда называется операционной. Любая программа имеет дело с некоторыми исходными данными, которые она обрабатывает и порождает некоторые выходные данные, т.е. результаты вычислений. В абсолютном большинстве случаев исходные данные попадают в оперативную память внешних (периферийных) устройств. Результаты вычислений также выводятся на внешние устройства. Программирование операций ввода/вывода является наиболее сложной задачей. Именно поэтому развитие операционной системы пошло по пути выделения наиболее часто встречающихся операций и создании для них соответствующих модулей, которые можно в дальнейшем использовать во вновь создаваемых программах. //В конечном итоге возникла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ …// Программисты могут вообще не знать многих деталей управления ресурсами вычислительной системы, а должны обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими выводами и получить необходимые функции сервиса. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор её функций сервиса и привело обращение к ней и образует базовое понятие, которое называется операционной средой, т.е. термин операционная среда означает необходимые интерфейсные программы пользователя для обращения к операционной системе с целью получить определённый сервис. Параллельное существование терминов “операционная система” и “операционная среда” вызвано тем, что операционная система может поддержать несколько операционных сред. Например, операционная система OS/2 Warp может выполнять следующие программы: так называемые нативные (Native) программы, созданные с учётом 32-разрядного операционного интерфейса; 16-битные программы, созданные для OS/2 первого поколения; 16-битные программы, разработанные для MS-DOS PS и DOS. 16-битовые программы для операционной среды Windows. Сама операционная оболочка Windows 3.X и уже в ней, созданные для неё, программы. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ. Операционная система – это программа, контролирующая работу пользовательской программы и систем приложений и исполняемая роль интерфейса между приложениями и аппаратным обеспечением компьютера. Её предназначения можно разделить на три основные составляющие: удобство: операционная система делает исполнение компьютера простым и удобным; эффективность: операционная система позволяет эффективно использовать ресурсы компьютерной системы; возможность развития: операционная система должна допускать разработку тестирования новых приложений и системных функций без нарушения нормального функционирования вычислительной системы. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК ИНТЕРФЕЙС МЕЖДУ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ И КОМПЬЮТЕРОМ. Пользователь, как правило, не интересуется деталями устройства аппаратного обеспечения компьютера, он видится ему как набор приложений. Приложение можно написать на каком-то из языков программирования. Чтобы упростить эту задачу имеется набор системных программ, некоторые из которых называют утилитами, с их помощью реализуется часто исполнение Функции, которые помогают при создании пользовательских программ в работе с файлами и управление устройствами ввода/вывода. Программист использует эти средства при разработке этих программ, а приложения во время выполнения обращаются к утилитам для выполнения определённых функций. Наиболее важной из системных программ являются операционные системы, которые скрывает от программиста детали аппаратного обеспечения и предоставляет удобный интерфейс для исполнения системы операционной среды. Может включать несколько интерфейсов: пользовательский; программный Типичные операционные системы предоставляют следующие сервисы: разработка программ. Операционная система предоставляет программисту разнообразные инструменты и сервисы, например, редакторы и отладчики. Эти сервисы, реализованные в виде программных утилит, которые поддерживают операционные системы, хотя и не входят в его ядро, такие программы называют инструментами разработки приложений; исполнение программ. Для запуска программы требуется выполнить ряд действий. Следует загрузить в основную память команды и данные, инициализировать устройства. Операционная система выполняет рутинную работу; доступ к устройствам ввода/вывода. Для управления работой каждым устройством ввода/вывода нужен свой набор команд или контролируемый сигнал. Операционная система предоставляет пользователю единообразный интерфейс, который вскрывает все эти детали и обеспечивает программисту доступ к устройствам ввода/вывода с помощью простых команд чтения и записи; контролируем доступ к файлам. При работе с файлами, управление его стороны операционной системы предназначено не только понимание природы устройств ввода/вывода и знание структур данных записанные в файлах. Многопользовательские операционные системы, кроме того, обеспечивают работу механизмов защиты при обращении к файлам; системы доступа. Операционная система управляет доступом к общедоступной вычислительной системе в целом, а также к отдельным системным ресурсам. Она должна обеспечить защиту ресурсов и данных от несанкционированного использования, также разрешать конфликтные ситуации; обнаружение ошибок и их обработка. При работе компьютерной системы происходят различные сбои, к их числу относятся внутренние и внешние ошибки, возникшие в аппаратном обеспечении, например, ошибки памяти, отказ или сбой устройств, возможны и программные ошибки: арифметическое переполнение, попытка обратиться к ячейке памяти, доступ к которым запущен и невозможность выполнения запроса приложения. В каждом из этих случаев операционная система должна выполнить действие, минимизирующее влияние ошибки на работу приложения. Реакция операционной системы на ошибку может быть различной: от простого сообщения об ошибке, до аварийной остановки программы; учёт использования ресурсов. Хорошая операционная система должна иметь средства учёта использования различных ресурсов и отображение параметров производителя. Эта информация крайне важна для дальнейшего улучшения и настройки система, для повышения производительности. КЛАССИФИКАЦИЯ ОС Развитие компьютеров привело к развитию ОС. Сейчас насчитывается более 100 ОС. По назначению ОС принято делить на семь уровней. 1. Мэйнфреймы (mainframe) У них отличаются от ПК возможности I/O. Обычно мэйнфреймы содержат тысячи дисков и терабайты ОЗУ. Они используются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных коммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе. ОС для мэйнфреймов ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций I/O. Обычно они предполагают три вида обслуживания: пакетную обработку. Система выполняет стандартные задания без присутствия пользователей. В пакетном режиме обрабатываются иски страховых компаний и составляются отчеты о продаже в магазине; обработку транзакций (групповые операции: обработка и запись данных). Система обработки транзакций управляет очень большим количеством маленьких запросов (например, контролирует процесс работы в банке, бронирует авиабилеты). Каждый отдельный запрос невелик, но система должна отвечать на тысячи запросов в секунду; разделение времени. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют множеству удаленных пользователей выполнять свои задания на одной машине, например, работать с большой БД. Все эти функции тесно связаны между собой и часто ОС мэйнфрейма выполняет их все. Примером ОС для мэйнфрейма является OS/390 (от IBM). 2. Серверные (сетевые) ОС Работают на серверах, которые представляют собой или очень большие ПК, или рабочие станции, или даже мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить программные и аппаратные ресурсы. Серверы представляют возможность работать с печатающими устройствами, файлами и Internet. Internet-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входные запросы. Типичные серверные ОС: Windows 2000 и Unix. В этих целях в настоящее время стала использоваться и ОС Linux. 3. Многопроцессорные ОС (кластеры) Наиболее часто применяемый способ увеличения мощности компьютера заключается в соединении ЦП в одну систему. В зависимости от вида соединения ЦП и разделения работы такие системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Для них требуются специальные ОС, но, как правило, такие ОС представляют собой варианты серверных ОС со специальными возможностями связи. 4. ОС для ПК Работа этих ОС заключается в представлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие ОС широко используются для работы с текстом, электронными таблицами и доступа к Internet. Яркие примеры: Windows 98, 2000, MacOS, Linux. 5. ОС РВ Главным параметром ОС РВ является время. Например, в СУ производством компьютеры, работающие в режиме РВ, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами. Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Так, если автомобиль передвигается по конвейеру, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано/поздно, то он нанесет непоправимый вред. Если некоторое действие должно произойти в какой-то момент времени или внутри заданного диапазона времени, то говорят о жесткой системе РВ. Существует гибкая система РВ, в которой допустимы случающиеся время от времени пропуски сроков выполнения операций. В эту категорию попадает цифровое аудио и multimedia-системы. Примеры ОС: VxWorks, QNX. 6. Встроенные ОС Карманный компьютер, или PDA (Personal Digital Assistant), - маленький компьютер, помещающийся в кармане брюк и выполняющий некоторые функции (записная книжка, блокнот). Примеры ОС: PalmOS, Windows CE (Consumer Electronics - бытовая техника). 7. ОС для Smart-карт (smart-cards - разумные карты) Самые маленькие ОС работают на Smart-картах, представляющих собой устройство с ЦП. На такие ОС накладываются крайне жесткие ограничения по мощности ЦП и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, но другие ОС на тех же самых Smart-картах выполняют сложные функции. Некоторые ОС являются Java-ориентированными, т.е. ПЗУ содержит интерпретатор виртуальной машины Java (ROM - Read Only Memory). Апплеты Java загружаются на карту и выполняются интерпретатором JVM (Java Virtual Machine). Некоторые из этих карт могут одновременно управлять несколькими Java-апплетами, что приведет к многозадачности и необходимости планирования. Также возникает необходимость в защите. Эти задачи обычно выполняет крайне примитивная ОС. |