Околения компьютеров
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
БИЛЕТ 1 Поколения компьютеров 1.1. Первое поколение компьютеров. В них использовались электронно-вакуумные лампы. Конец 40-х-начало 50-х годов 20 века. ENIAC (1946 год, Пенсильванский университет США). Для решения задач с ядерным оружием. Компьютер состоял из оперативной памяти, процессора, устройства печати данных на узкой ленте. Эти машины использовались в однопользовательском режиме. Программа и данные вводились в оперативную память, потом запускались. Пользователь вводил в память машины команды. Результаты появлялись на печати. В случае ошибки машина останавливалась. На лампочках загоралась ошибка. Средство программирования – машинный язык (машинный код). Пользователь должен был знать эти коды и программировать на них. В таких машинах частота аппаратных сбоев была достаточно высокой. Позднее аппаратный загрузчик упрощал ввод данных в оперативную память. Первые решения в области операций программирования: появление ассемблеров и автокодов. Появление служебных программ, которые переводили программы с языка Ассемблер на язык машинного кода. зарождение класса сервисных, управляющих программ Зарождение языков программирования Однопользовательский, персональный режим 1.2. Второе поколение компьютеров. Компьютеры второго поколения построены на полупроводниковых приборах: диодах и транзисторах. (конец 50-х вторая половина 60) Они потребляют меньше электроэнергии и являются более производительными: выполняют несколько миллионов операций в секунду. Создаются новые внешние устройства, совершенствуется программное обеспечение. Пакетная обработка программ: Формируется пакет программ. Это были программы для последовательного выполнения. Этот пакет мог представляться как стопка перфокарт, данные на магнитной ленте, перфоленты. Наличие специальной управляющей программы, позволяло координировать обработку заданий из пакета и определять момент, когда программа могла начать выполняться. В случае ошибки управление также передавалось на управляющую программу. Такую систему называли мониторной. Следующий этап – появление компьютеров, в которых поддерживался режим мультипрограммирования. На обработке находилось сразу несколько программ. Центральным процессором выполнялась одна программа, другие ожидали или занимались обменом. С появлением таких компьютеров появляются операционные системы. БЭСМ-6: развита система управляющих программ. Автор математического обеспечения – Королев Л.Н. Архитектура этих машин – предел развития машин второго поколения. Расширился спектр задач, для решения которых использовались компьютеры. Языки управления заданиями. Появляется проблема дружественности программных объектов (интерфейсов). Командные языки упростили работу пользователя с системой. Развиваются средства программирования, доступные для пользователя. Появляются языки высокого уровня. Начинается борьба за аппаратную независимость команд. Появилась новая задача: упростить процесс программирования посредством использования языков высокого уровня. Появляются проблемно-ориентированные языки программирования. Появились первые прообразы файловых систем. Нужно было хранить данные вне оперативной памяти. Появление файловых систем упростило процесс организации и хранения данных на внешних устройствах. Появилось понятие именованного набора данных - абстракция пользователя от внешних устройств (виртуальные устройства). пакетная обработка заданий мультипрограммирование языки управления заданиями файловые системы виртуальные устройства 1.3. Третье поколение – компьютеры на интегральных схемах. Элементная база третьего поколения компьютеров (конец 60-х – начало 70-х годов 20 века) – интегральные схемы. Такие устройства потребляли меньше электроэнергии. Характерны более компактные размеры вычислительной техники. Основная особенность – унификация программных и аппаратных узлов и устройств. Как следствие такой унификации – появление семейств компьютеров. Появляется возможность аппаратной модификации компьютеров, а также унификация программных интерфейсов. Программа, работающая на младшей модели, должна была работать и на старшей модели. Появление семейств компьютеров создало возможность увеличения сроков жизни программных систем. В операционной системе появляются драйверы устройств. Появляются правила разработки драйверов, а также внесение в систему новых драйверов. Развитие получили концепции виртуальных устройств, управляющие программы которых представляли унифицированный интерфейс. 1.4. Компьютеры четвертого поколения и далее. Их элементная база – большие и сверхбольшие интегральные схемы. Устройства – законченные функциональные узлы компьютера. Микропроцессор – реализация функционального узла компьютера. Происходит революция в области размеров компьютера, “дружественность” пользовательских интерфейсов, развитие и массовое использование сетей ЭВМ. Появились новые функции в операционной системе: проблемы безопасности хранения и передачи данных. Массово формируются многопроцессорные системы. Параллельные системы становятся массовыми. «дружественность» пользовательских интерфейсов сетевые технологии безопасность хранения и передачи данных Билет №2 Структура Вычислительной системы. Ресурсы ВС – физические ресурсы, виртуальные ресурсы. Уровень операционной системы. Вычислительная система (ВС) – совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Вычислительная система – это результат интеграции. Вычислительная система ориентирована для решения задач определенного класса. Структура вычислительной системы: 5. Прикладные системы 4. Системы программирования 3. Управление логическими ресурсами 2. Управление физическими ресурсами 1. Аппаратные средства ВС Аппаратный уровень вычислительной системы Определяется наборами аппаратных компонентов и их характеристиками, используемыми вышестоящими уровнями иерархии и определяющими воздействие на них. Физические ресурсы: процессор, оперативная память, внешнее устройство. Характеристики: 1. Правила программного использования, которые определяют возможность корректного использования в программе. 2. Производительность или емкость: тактовая частота, длина обрабатываемого машинного слова. 3. Степень занятости или используемости данного физического ресурса. Нет единого правила формирования этих характеристик. Мы можем определить, какие компоненты соответствуют данному физическому ресурсу. Средства программирования, доступные на аппаратном уровне: 1. Система команд компьютера. 2. Аппаратные интерфейсы программного взаимодействия с физическими ресурсами. 2.2. Управление физическими ресурсами Назначение – систематизация и стандартизация правил программного использования физических ресурсов. Драйвер физического устройства – программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. Появились специализированные устройства – драйверы физических устройств. Предоставление унифицированного интерфейса для программного использования. Драйвер физического устройства решал задачи: 1. Сокрытие от пользователя некоторых нюансов. 2. Предоставление упрощенного интерфейса для упрощенного доступа к данному физическому ресурсу. С помощью драйвера мы можем читать и писать поблочно. Драйвер позволяет работать с записями определенной длины. Два драйвера: один обеспечивает блочный обмен, другой – работу с записями произвольной длины. В программном обеспечении появились драйверы, которые достаточно хорошо были отлажены. Надежность программного обеспечения повысилась. Упрощенные интерфейсы привели к преобразованию программы для работы с другим драйвером. Программист должен был быть знаком со всеми интерфейсами и драйверами физических устройств. Возникла проблема: программа и пользователь должны были модифицироваться каждый раз при смене устройств. Для решения этих проблем появляется следующий уровень: 2.3. Управление логическими/виртуальными ресурсами. Логическое/виртуальное устройство (ресурс) – устройство, некоторые эксплуатационные характеристики которого реализованы программным образом. Драйвер логического/виртуального ресурса – программа, обеспечивающая существование и использование соответствующего ресурса. Этот уровень ориентирован на пользователя. Команды данного уровня не зависят от физических устройств, они обращены к предыдущему уровню. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы. При организации драйвера могут использоваться драйвера физических или логических/виртуальных устройств. Система поддерживает иерархию драйверов. Многоуровневая унификация интерфейса. Ресурсы вычислительной системы – совокупность всех физических и виртуальных ресурсов. Одной из характеристик ресурсов является их конечность, следовательно, возникает конкуренция за обладание ресурсом между его программными потребителями. Средства программирования, доступные на уровнях управления ресурсами ВС: система команд компьютера программные интерфейсы драйверов устройств (как физических, так и виртуальных Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы. Пользователю же доступна система команд. Разветвленная иерархия виртуальных и физических устройств. Драйверы можно разделить на 3 группы: 1) драйверы физических устройств 2) драйверы устройств аппаратного типа 3)драйверы виртуальных устройств Билет №3 Структура вычислительной системы. Ресурсы ВС – физические, виртуальные. Уровень систем программирования. Система программирования – это комплекс программ, обеспечивающий поддержание жизненного цикла программы в вычислительной системе. Жизненный цикл программы в вычислительной системе состоит из четырех основных этапов: 1. Проектирование программного продукта. Состоит из нескольких взаимосвязанных между собой действий: исследование, характеристика объектов вычислительной системы, модель функционирования, характеристика инструментальной вычислительной системы, алгоритмы и инструментальные средства, априорная оценка. 2. Кодирование (программная реализация). Построение кода на основании спецификаций при использовании языков программирования и трансляторов. Системы поддержки версий – фиксируют реализацию продукта в данный момент времени. 3. Тестирование и отладка – это проверка программы на тестовых нагрузках, Принимается решение о формировании минимального набора тестов, более полно проверяющих программу. 4. Ввод программной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождение. Отладка – процесс поиска, локализации и исправления зафиксированных при тестировании ошибок. Последний этап предъявляет программному продукту целый ряд специфических требований. Этапы жизненного цикла программы могут комбинироваться. Среди современных технологий разработки программного обеспечения можно выделить каскадную модель, каскадную итерационную модель и спиральную модель, которые более подробно представлены на слайдах. Система программирования – это комплекс программ, обеспечивающий технологию автоматизации проектирования, кодирования, тестирования, отладки и сопровождения программного обеспечения. С 90-х годов 20 века по настоящее время – появляются промышленные средства автоматизации проектирования программного обеспечения, case-средств, унифицированного языка моделирования UML. Системы программирования – интегрированные системы. Средства программирования, доступные на уровне системы программирования – программные средства и компоненты СП, обеспечивающие поддержание жизненного цикла программы. +2 слайда Билет №4 Структура Вычислительной системы. Ресурсы ВС- физические и виртуальные. Уровень прикладных систем. 2.5 Прикладные системы Прикладная система – программная система, ориентированная на решение или автоматизацию решения задач из конкретной предметной области. Этапы развития Первый этап развития прикладных систем Задача Разработка, программированиеРешение Второй этап Развитие систем программирования и появление средств создания и использования библиотек программ Третий этап характеризуется появлением пакетов прикладных программ ,имеющих развитые и стандартизированные интерфейсы, возможность совместного использования различных пакетов. 2.5.3 Основные тенденции в развитии современных прикладных систем Современные прикладные системы характеризуются: • Стандартизация моделей автоматизируемых бизнес - процессов • B2B (business to business) • B2C (business to customer) • ERP (Enterprise Resource Planning) • CRM (Customer Relationship Management) • Открытость системы • API - Application Programming Interface Построены на основе современных технологий: Использование интернет систем. Категории пользователей 1.Оператор или прикладной пользователь (доступны средства пользовательского интерфейса) 2.Системный программист (пользователь компонентов прикладной системы) 3.Системный администратор 4.Оператор или прикладной пользователь (доступны средства пользовательского интерфейса) 5.Системный программист (пользователь компонентов прикладной системы) 6.Системный администратор. . Выводы Пользователь и уровни структурной организации вычислительной системы: - Прикладные программы (набор функциональных средств прикладной системы) - Системные программы (трансляторы языков высокого уровня, библиотеки) - Управление логическими/виртуальными ресурсами (интерфейсы драйверов виртуальных устройств) - Управление физическими ресурсами (интерфейсы драйверов физических устройств) Аппаратные средства (система команд, аппаратные интерфейсы программного управления физическими устройствами). Билет №5 Структура вычислительной системы. Понятие виртуальной машины. Понятие виртуальной машины неотрывно связано с понятием виртуальных и физических ресурсов (дать понятие виртуальных и физических ресурсов из билета N2). Мы можем сделать некий срез уровня любой вычислительной системы, основываясь на иерархии и классификации по уровням. Например, мы можем рассматривать только аппаратный уровень, или только уровень операционной системы. На каждом из этих уровней мы встретимся с понятием «виртуальной машины». Дело в том, что мы никогда не можем работать просто с «компьютером». Каждый раз нам приходится использовать некую программную прослойку между нами и машиной, будь то ассемблер или Windows 95. Совокупность программных средств, обеспечивающих в любой момент времени нашу связь с компьютером, мы и назовем виртуальной машиной. Хочется подчеркнуть, что виртуальная машина всегда разная. Например, если мы работаем с DOS, то наша виртуальная машина обладает следующими характеристиками: во- первых, она имеет систему команд ДОС, то есть в то время, как физически для нашего компьютера определена система команд низкого уровня, наша виртуальная машина обладает системой команд, которые включают в себя команды «dir» или «cd». Виртуальная машина DOS способна выполнять только одну задачу в один момент времени, она не предназначена для мультипрограммирования, хотя на деле мы можем работать за многопроцессорной рабочей станцией. С другой стороны, виртуальная машина Windows имеет больший объем оперативной памяти (речь идет о подкачке), по сравнению с компьютером, на котором она установлена. То есть можно сказать, что виртуальная машина никак или практически никак не связана с физической, за исключением, конечно же, того, что виртуальная машина в любом случае вынуждена использовать физическую. Рассмотрим виртуальные машины по уровням. Начнем с уровня физических ресурсов. Пусть у нас есть жесткий диск и драйвер этого диска. В этом случае драйвер представляет собой виртуальную машину, ведь если подумать, драйвер никак не связан с диском, драйвер можно скопировать на дискету и унести от диска. Но драйвер, с другой стороны, и есть для пользователя диск, поскольку именно драйвер – это то, что позволяет использовать диск. Таким образом, можно сказать, что без драйвера диск - не диск. Виртуальная машина здесь – это программа, представляющая собой лишь одну часть аппаратного обеспечения. Уровень логических ресурсов. Пусть жесткий диск поделен на два логических раздела. В этом случае, интерфейс каждого из разделов – отдельная виртуальная машина. Каждый из логических дисков имеет меньше памяти, чем весь диск в целом, то есть представленные виртуальные машины обладают меньшим количеством ресурсов по сравнению с физическими характеристиками данного компьютера. Уровень систем программирования. СП дают возможность создать виртуальную машину, имеющую определенный набор команд. Например, компилятор gcc позволяет эмулировать компьютер, чья система команд определена стандартом ANSI C. Уровень прикладных систем. Рассмотреть базу данных и повторить то же самое. Билет №6 Основы архитектуры компьютера. Основные компоненты и характеристики. Структура и функционирование ЦП. Центральный процессор Структура, функции ЦП ЦП обеспечивает выполнение программы, размещенной в ОЗУ. Осуществляется выбор машинного слова, содержащего очередную машинную команду, дешифрация команды, контроль корректности данных, определение исполнительных адресов операндов, получение значения операндов и исполнение машинной команды. Регистровая память процессора – сверхоперативные запоминающие устройства, размещенные в процессоре Р е ги с тр о в а я п а м я ть С п е ц и а л ь н ы е р е ги с тр ы Ц П Р е ги с тр ы о б щ е го н а з н а ч е н и я Р е ги с тр о в ы е б уф е р а К Э Ш Регистры общего назначения (РОН) Используются в машинных командах для организации индексирования и определения исполнительных адресов операндов, а также для хранения значений наиболее часто используемых операндов, в этом случае сокращается число реальных обращений в ОЗУ и повышается системная производительность ЭВМ. Специальные регистры Качественный и количественный состав специализированных регистров ЦП зависит от архитектуры ЭВМ. Ниже представлены некоторые из возможных типов регистров, обычно входящие в состав специализированных регистров. Кроме регистров, рассмотренных ниже, мы будем доопределять эту группу по ходу курса. Регистр адреса (РА) - содержит адрес команды, которая исполняется в данный момент времени. По содержимому РА ЦП осуществляет выборку текущей команды, по завершении ее исполнения регистр адреса изменяет свое значение тем самым указывает на следующую команду, которую необходимо выполнить. Регистр результата (РР) - содержит код, характеризующий результат выполнения последней арифметико-логической команды. Содержимое РР может характеризовать результат операции. Для арифметических команд это может быть «=0», «>0», «<0», переполнение. Содержимое РР используется для организации ветвлений в программах, а также для программного контроля результатов. Слово – состояние процессора (ССП или PSW) - регистр, содержащий текущие «настройки» работы процессора и его состояние. Содержание и наличие этого регистра зависит от архитектуры ЭВМ. Например, в ССП может включаться информация о режимах обработки прерываний, режимах выполнения арифметических команд и т. п. Частично, содержимое ССП может устанавливаться специальными командами процессора. Регистры внешних устройств (РВУ) - специализированные регистры, служащие для организации взаимодействия ЦП с внешними устройствами. Через РВУ осуществляется обмен данными с ВУ и передача управляющей информации (команды управления ВУ и получения кодов результат обработки запросов к ВУ). Регистр указатель стека - используется для ЭВМ, имеющих аппаратную реализацию стека, в данном регистре размещается адрес вершины стека. Содержимое изменяется автоматически при выполнении «стековых» команд ЦП. |