02ТехБазаИнформатики

ТЕМА. Техническая база информатики
План
РАЗДЕЛ 1. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
РАЗДЕЛ 2. ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИНФОРМАТИКИ
РАЗДЕЛ 3. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ
РАЗДЕЛ 4. СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
РАЗДЕЛ 5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАТИКИ
Раздел 1. Системы счисления
1. Позиционные системы счисления в информатике
Для представления чисел в настоящее время используются в основном
позиционные системы счисления. Система называется позиционной, если
значение каждой ее цифры (ее вес) изменяется в зависимости от ее положения
(позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например,
десятичная система счисления основана на том, что десять единиц каждого
разряда объединяются в одну единицу старшего разряда, например:
354 = 3*102 + 5*101 + 4*100 .
Таким образом, десятичная запись любого числа Х основана на
представлении этого числа в виде полинома:
Х= аm *10m+аm-1 *10m-1+ ... +а1 *101+ а0 *10 0+ а-1 *10-1+...+а-m*10-m,
(1)
где каждый коэффициент аi (i=-m..m) может быть одним из базовых чисел
0, 1, 2,... 9.
Пусть известна запись числа Х в системе счисления с основанием R:
X = аn аn-1... а1 а0 а-1 а-2...,
где аi – цифры R-ичной системы. Число R единиц какого-либо разряда,
объединяемых в единицу старшего разряда, называют основанием
позиционной системы счисления, а сама система счисления называется R-ичной.
Запись произвольного числа Х в R-ичной позиционной системе счисления
основывается на представлении этого числа в виде полинома:
X = аm*Rm+аm-1*Rm-1+...+а1*R1+а0*R0+а-1*R-1+...+а-m*R-m, (2)
где каждый коэффициент аi может быть одним из базовых чисел 0, 1, 2,... R-1.
Арифметические действия над числами в любой позиционной системе
счисления производятся по тем же правилам, что и в десятичной системе, так
как все они основываются на правилах выполнения действий над
соответствующими полиномами.
2. Двоичная система счисления
В современной вычислительной технике, в устройствах автоматики и связи
широко используется двоичная система счисления. Это связано с тем, что в
таких устройствах используются элементы с двумя устойчивыми состояниями
(например, есть заряд на конденсаторе или нет). Двоичная система – это
система с наименьшим возможным основанием. В ней для изображения числа
используются только две цифры: 0 и 1.
Произвольное число в двоичной системе счисления представляется в виде
полинома:
X = аm*2m+аm-1*2m-1+...+а1*21 +а0*20+а-1*2-1 +...+а-m*2-m . (3)
Примеры десятичных чисел в двоичной системе счисления:
1 = 12 2 = 102 3 = 112 4 = 1002 5 = 1012
0.5 = 0.12
0.25 = 0.012
Таблица сложений чисел в двоичной системе счисления имеет вид
0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10
Таблица умножений чисел в двоичной системе счисления имеет вид
0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1
3. Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления
В вычислительной технике используются и другие позиционные системы:
восьмеричная и шестнадцатеричная.
СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ R=2,8,16
Базисные числа
Двоич.
Дес. 8
Шест.
Двоич.
Дес.
8 Шест.
0000
0
0 0
1000
8
10 8
0001
1
1 1
1001
9
11 9
0010
2
2 2
1010
10
12 A
0011
3
3 3
1011
11
13 B
0100
4
4 4
1100
12
14 C
0101
5
5 5
1101
13
15 D
0110
6
6 6
1110
14
16 E
0111
7
7 7
1111
15
17 F
В восьмеричной системе счисления базисными числами являются 0, 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7. Запись любого числа в этой системе основывается на его
разложении по степеням числа восемь с коэффициентами из базисного набора.
В шестнадцатеричной системе счисления базисными являются числа от
нуля до пятнадцати. Для обозначения первых девяти чисел используются
арабские числа от нуля до девяти, остальные обозначаются латинскими
буквами a, b, c, d, e, f.
4. Перевод чисел из одной системы счисления в другую
При решении задач с помощью ЭВМ исходные данные обычно задаются в
десятичной системе счисления; в этой же системе, как правило, нужно получать
и окончательные результаты. Поскольку в современных ЭВМ данные
2
кодируются в основном в двоичных кодах, то возникает задача перевода чисел из
одной системы счисления в другую.
Ограничимся рассмотрением систем счисления, у которых базисными
числами являются последовательные числа 0, 1,... R-1, где R – основание
системы. Задача перевода заключается в следующем.
Пусть известна запись числа х в системе счисления с основанием R:
Rn Rn-1... R1 R0 R-1 R-2...,
где Ri – цифры R-ичной системы. Требуется найти запись этого же числа в
системе с основанием Q:
Qn Qn-1... Q1 Q0 Q-1 Q-2...,
где Ri – цифры R-ичной системы, Qi – цифры Q-ичной системы
Способ 1. Перевод чисел из Q в Р-ичную систему
Перевод Q → P. Задача сводится к вычислению полинома вида
Х = anQn + an-1Qn-1 +...+a1Q1 + a0Q0 + a-1Q-1 +...+ a-mQ-m.
(4)
Для получения P-ичного изображения (4) необходимо все цифры ai и число Q
заменить P-ичными изображениями и выполнить арифметические операции в
P-ичной системе счисления.
Пример. Перевести х = 3718 в десятичную систему счисления.
Запишем число 3718 в виде х = 3*82 +7*81 + 1*80 и выполним все
необходимые действия в десятичной системе:
х = 3*64 + 7*8 + 1 = 192+56+1 = 249.
Способ 2. Перевод чисел из Р в Q-ичную систему
Перевод P → Q Рассмотрим случай перевода целых чисел. Пусть известна
запись целого числа N в системе счисления с основанием P и требуется
перевести это число в систему с основанием Q. Поскольку N – целое, то его
запись в Q-ичной системе счисления имеет вид
N = as as-1 ... a1 a0,
где ai – искомые цифры Q-ичной системы. Для определения a0 разделим обе
части равенства
N = asQs + as-1Qs-1 +...+a1Q1 + a0
(5)
на число Q, причем в левой части произведем деление, пользуясь
правилами P-ичной арифметики, а правую часть перепишем в виде
N/Q = asQs-1 + as-1Qs-2 +...+a1 + a0/Q.
Приравниваем между собой полученные целые и дробные части (учитывая,
что ai < Q):
[N/Q] = asQs-1 + as-1Qs-2 +...+a1,
[N/Q] = a0/Q.
Таким образом, младший коэффициент a0 в разложении (5) определяется
соотношением
a0 = Q[N/Q].
Положим
N1 = [N/Q] = asQs-1 + as-1Qs-2 +...+a1.
Тогда N1 будет целым числом и к нему можно применить ту же самую
процедуру для определения следующего коэффициента a1 и т. д.
.
3
Таким образом, при условии, что N0 = N, перевод чисел с использованием
Р-ичной арифметики осуществляется по следующим рекуррентным
формулам
ai = Q[Ni/Q],
(6)
Ni +1 = [Ni /Q], (i = 0, 1, 2, ...)
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет получено Ni +1 = 0.
Пример. Перевести число N = 47 в двоичную систему. Применяя формулы (6)
при Q=2, имеем
47:2 = 23(1); 23:2 = 11(1); 11:2 = 5(1); 5:2 = 2(1); 2:2 = 1(0); 1:2 = 0(1).
Поскольку числа нуль и единица в обеих системах счисления обозначаются
одинаковыми цифрами 0 и 1, то в процессе деления сразу получим двоичные
изображения искомых цифр:
N = 1011112.
Примеры перевода чисел из одной системы счисления в другую
Наиболее часто встречающиеся системы счисления – это двоичная,
шестнадцатеричная и десятичная. Как же связаны между собой представления
числа в различных системах счисления? Рассмотрим различные способы
перевода чисел из одной системы счисления в другую на конкретных примерах.
Способ 1. Пусть требуется перевести число 567 из десятичной в двоичную
систему. Сначала определим максимальную степень двойки, такую, чтобы два в
этой степени было меньше или равно исходному числу. В нашем случае это
9, так как 29=512, а 210=1024, что больше начального числа. Таким образом, мы
получим число разрядов результата. Оно равно 9+1=10. Поэтому результат
будет иметь вид 1ххххххххх, где вместо х могут стоять любые двоичные
цифры. Найдем вторую цифру результата. Возведем двойку в степень 9 и
вычтем из исходного числа: 567-29=55. Остаток сравним с числом 28=256.
Поскольку 55 меньше 256, то девятый разряд будет нулем, т. е. результат
примет вид 10хххххххх. Рассмотрим восьмой разряд. Поскольку 2 7=128>55, то
и он будет нулевым.
Седьмой разряд также оказывается нулевым. Искомая двоичная запись
числа принимает вид 1000хххххх. 2 5 =32<55, поэтому шестой разряд равен
1 (результат 10001ххххх). Для остатка 55-32=23 справедливо неравенство
2 4 =16<23, что означает равенство единице пятого разряда. Действуя
аналогично, получаем в результате число 1000110111. Мы разложили данное
число по степеням двойки:
567=1 *29+0*28+0*27+0*26+1 *25+1 *24+0*23+1 *22 +1 *21+1 *20 .
Способ 2. При другом способе перевода чисел используется операция
деления в столбик.
Рассмотрим число 567. Разделив его на 2, получим частное 283 и остаток 1.
4
Проведем ту же самую операцию с числом 283. Получим частное 141,
остаток 1. Опять делим полученное частное на 2, и так до тех пор, пока частное
не станет меньше делителя. Теперь для того, чтобы получить число в двоичной
системе счисления, достаточно записать последнее частное, то есть 1 и
приписать к нему справа в обратном порядке все полученные в процессе
деления остатки. Результат, естественно, не изменился: 567 в двоичной системе
счисления записывается как 1000110111.
Эти два способа применимы при переводе числа из десятичной системы в
систему с любым основанием. Для закрепления навыков рассмотрим перевод
числа 567 в систему счисления с основанием 16.
Способ последовательного деления в столбик, с единственным отличием в
том, что делить надо не на 2, а на 16. Процесс деления заканчивается, когда
частное становится меньше 16.
Конечно, не надо забывать и о том, что для записи числа в
шестнадцатеричной системе счисления необходимо заменить 10 на A, 11 на B и
так далее.
Для того, чтобы получить число в шестнадцатеричной системе счисления,
достаточно записать последнее частное, то есть 2, приписать к нему справа в
обратном порядке все полученные в процессе деления остатки. Результат,
естественно, не изменился: 567 в шестнадцатеричной системе счисления
записывается как 23716.
Операция перевода в десятичную систему выглядит гораздо проще, так
как любое число можно представить в виде
x = a0*Rn + a1*Rn-1 + ... + an-1*R1 + an*R0,
где a0 ... an – это цифры данного числа в системе счисления с основанием R.
Подставим вместо цифр базисные числа и десятичное представление R.
Например, переведем число 4A3F в десятичную систему. По определению,
4A3F = 4*163 + A*162 + 3*16 + F.
Заменив A на 10, а F на 15, получим
5
4*163 + 10*162 + 3*16 + 15 = 19007.
5. Перевод чисел в системах с основаниями 2, 8, 16
Пожалуй, проще всего осуществляется перевод чисел из двоичной системы в
системы с основанием, равным степеням двойки (8 и 16), и наоборот. Для того
чтобы целое двоичное число записать в системе счисления с основанием 2n, (n = 4
для шестнадцатеричных чисел и n = 3 для восьмеричных чисел) нужно:
 данное двоичное число разбить справа налево на группы по n цифр в каждой;
 если в последней левой группе окажется меньше n разрядов, то дополнить ее
нулями до нужного числа разрядов;
 рассмотреть каждую группу как n-разрядное двоичное число и заменить ее
соответствующей цифрой в системе счисления с основанием 2n (таблицы 1 и
2).
Таблица 1. Двоично-шестнадцатеричная таблица
2-ная
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
16-ная
0
1
2
3
4
5
6
7
2-ная
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
16-ная
8
9
A
B
C
D
E
F
Таблица 2. Двоично-восьмеричная таблица
2-ная 000
001
010
011
100
101
110
111
8-ная 0
1
2
3
4
5
6
7
Вопросы для самопроверки
Переведите в десятичную систему счисления: а) 100011102; б) 123458;
AA02D34B16.
Сравните два числа:
а) 10268 и 21616; в) 111112 и 111113.
в)
Раздел 2. Техническая база информатики
1. Из истории создания и развития ЭВМ
Механические средства для вычислений были известны еще в далеком
прошлом. Одно из самых древних вычислительных средств – счеты –
использовалось древними египтянами и китайцами. Подобные устройства
использовались для механизации счета и хранения текущего результата. В
качестве постоянной памяти выступали дощечки из глины, бумага.
Отсутствовала механизация управления последовательностями операций.
Чарльз Беббидж (1792 – 1871), английский физик и астроном, первый
сформулировал идею создания универсальной вычислительной машины
(аналитическая машина Беббиджа). Его, прежде всего, интересовало
повышение точности астрономических расчетов. Беббидж разработал
детальный проект машины, однако так и не завершил его, в том числе и по
финансовым причинам.
В 1937 г. английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу с
описанием универсальной схемы вычислений. Его результаты были
представлены в терминах гипотетической машины, названной “универсальной
6
машиной Тьюринга”. Эта теоретическая разработка привлекла внимание
большого числа специалистов к вопросу создания универсальной
вычислительной машины.
Вторая мировая война дала толчок к усовершенствованию вычислительных
устройств и технологии их производства. В 1944 г. Говард Айкен из IBM создал
первую в мире ЭВМ на релейных элементах – Havard Mark I. В 1946 г.
сотрудники IBM Дж. Эккерт и Дж. Мочли создали первый компьютер на
электронных лампах – ENIAC.
В 1951 г. началось массовое производство машин серии UNIVAC – этот год
принято считать годом появления технологии ЭВМ первого поколения.
В 1960 г. появляются ЭВМ второго поколения – на полупроводниковых
элементах.
Достижения в области полупроводниковой технологии – разработка
технологии производства интегральных схем –
привели к тому что,
появляются ЭВМ третьего поколения (1964 г.) на основе БИС (больших
интегральных схем), а затем ЭВМ четвертого поколения (1970 г.) – на основе
СБИС (сверхбольших интегральных схем).
В конце 70-х успехи развития микроэлектроники привели к созданию
персональных компьютеров на основе микропроцессоров.
2. Классификация ЭВМ
Под ЭВМ понимается большое число разнообразных машин,
различающихся размерами, производительностью, стоимостью, назначением.
Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в
частности по принципу действия, назначению, способам организации
вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности,
функциональным
возможностям,
способности
к
параллельному
выполнению программ и др.
Возможна следующая классификация ЭВМ:
– ЭВМ по принципу действия;
– ЭВМ по этапам создания;
– ЭВМ по назначению;
– ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.
Классификация
ЭВМ
по
принципу
действия.
Электронная
вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств,
предназначенных для автоматической обработки информации в процессе
решения вычислительных и информационных задач. По принципу действия
вычислительные машины делятся на три больших класса:
 аналоговые (АВМ),
 цифровые (ЦВМ),
 гибридные (ГВМ).
Классификация ЭВМ по этапам. По этапам создания и элементной базе
ЭВМ условно делятся на поколения:
 1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронно-вакуумных лампах;
 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на транзисторах;
7
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных
микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи
транзисторов в одном корпусе);
 4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных
схемах-микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном
кристалле);
 5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих
микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки
знаний; ЭВМ на сложных микропроцессорах с параллельно-векторной
структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд
программы;
 6-е и последующие поколения: оптоэлектронных ЭВМ с массовым
параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью
большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров,
моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Классификация ЭВМ по назначению. По назначению ЭВМ можно
разделить на три группы:
 универсальные (общего назначения),
 проблемно-ориентированные
 специализированные.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.
По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на:
 сверхбольшие (суперЭВМ),
 большие (Mainframe),
 малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Рис. Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ
8
3. Классическая архитектура ЭВМ общего назначения
Классическая архитектура ЭВМ разработана американским инженером фон
Нейманом, поэтому ее называют еще неймановской архитектурой. Согласно
Нейману в состав ЭВМ входит пять функционально независимых блоков:
устройство ввода информации в ЭВМ (Увв), запоминающее устройство (ЗУ),
арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и
устройство вывода информации из ЭВМ (Увыв).
Устройство
ввода
Устройство
вывода
Запоминающ
ее
устройство
Арифметико
логическое
устройство
Устройство
управл
Рис. 1.2
Устройство ввода принимает кодированную информацию из внешней
среды от человека-оператора или электромеханического прибора. Информация
запоминается в ЗУ для последующего использования или сразу обрабатывается
Устройство определены программой,
АЛУ. Шаги обработки информации
хранящейся в
Центральны
ввода-вывода
памяти ЭВМ. Результаты
обработки возвращаются во йвнешнюю среду через
у действия координируются устройством
устройство вывода. Все эти
управления.
процессор
Обычно схемы АЛУ компонуются со схемами УУ в виде одного блока,
называемого центральным процессором (ЦП). Оборудование ввода и вывода
объединяются термином: устройство ввода-вывода (Увв-выв).
В ЭВМ информация поступает двух типов: в виде команд и в виде данных.
Команды, или инструкции, выполняют две функции: 1) управляют передачей
информации внутри ЭВМ, а также между ЭВМ и внешней средой; 2)
указывают, какие арифметические и логические операции должны быть
выполнены. Последовательность команд, которые обеспечивают решение
задачи, называется программой. Обычно решение задачи начинается с загрузки
программы в память. Затем ЦП извлекает команды из ЗУ и выполняет
предусмотренные операции. Т.о., ЭВМ находится под полным управлением
выполняемой программы, кроме тех случаев, когда поступают сигналы
прерывания от оператора или электронных устройств, связанных с ЭВМ.
Определим данные как кодированную информацию, которая обрабатывается
командами программы.
Информация в ЭВМ должна быть представлена в соответствующем
формате. Поскольку ЭВМ состоит из электронных и цифровых схем, элементы
которых имеют два устойчивых состояния, то используется двоичная система
9
счисления для кодирования информации: каждое число, символ текста или
команда кодируются цепочкой двоичных цифр – бит.
4. Устройства ЭВМ
Рассмотрим более подробно назначение и примеры отдельных устройств
ЭВМ.
Устройство ввода информации. Функция этого устройства очевидна –
ввод информации в ЭВМ и её кодирование. В качестве Увв выступают
клавиатура, манипулятор мышь, вспомогательные устройства ввода
(различного типа манипуляторы, световое перо, сканер).
Запоминающее устройство (память). Единственная функция ЗУ –
хранение программ и данных. Различают три класса устройств памяти:
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее
устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).
ПЗУ – это неизменяемая память ЭВМ, назначение которой хранить
служебные программы, необходимые для работы системы.
ОЗУ – это быстродействующее запоминающее устройство. Оно содержит
большое количество ячеек памяти, каждая из которых хранит 1 байт
информации. Ячейки связаны в группы фиксированных размеров, называемые
машинными словами. ОЗУ организовано таким образом, чтобы содержимое из
n бит можно было найти или запомнить при помощи одной операции. Для
облегчения доступа к любому слову ОЗУ с положением каждого слова связано
некоторое имя (адрес). Длина машинного слова определяется разрядностью
ЦП.
Для хранения большого объема данных используются более дешевые ВЗУ,
использующие в качестве носителей информации магнитные ленты и диски,
оптические диски или электронные носители.
Устройство вывода информации. Выполняет обратную функцию по
сравнению с устройствами ввода. Некоторые устройства совмещают обе
функции, поэтому часто используется общий термин – устройство вводавывода. К устройствам вывода относятся дисплеи, печатающие устройства
(принтеры), графопостроители (плоттеры).
Центральный процессор. Большинство операций в ЭВМ выполняется в
АЛУ. Например, необходимо сложить два числа в оперативной памяти: они
передаются в АЛУ, в нем складываются. Аналогично выполняется любая
другая арифметическая или логическая операция. Для ускорения вычислений
ЦП имеет высокоскоростные ячейки памяти – регистры – для временного
хранения данных. ЦП – наиболее скоростное устройство ЭВМ, поэтому один
ЦП может управлять рядом внешних устройств.
Все описанные устройства обеспечивают
необходимые средства для
хранения и обработки информации. Действие этих устройств должны быть
согласованы, что является функцией УУ.
5. Структура шин
Существуют разные способы организации структуры ЭВМ. Набор проводов,
обеспечивающих необходимые связи между отдельными блоками ЭВМ,
10
называются шинами. Шина содержит линии данных и линии управления.
Рассмотрим сначала одношинную однопроцессорную организацию ЭВМ.
Увв-выв
ЦП
ОЗУ
Рис. 1.3
Все устройства связаны с одной шиной. Так как шина использоваться только
для одной передачи, то в данный момент времени только одно устройство
может быть активным. Подобная структура обеспечивает низкую стоимость
ЭВМ и легкость подключения внешних устройств. Однако производительность
системы ограничена скоростью передачи данных по шине.
6. Двухшинная однопроцессорная структура
Двухшинная структура позволяет повысить производительность системы.
Существует два варианта двухшинной однопроцессорной структуры (рис. 1.4).
Увв
ЗУ
ЦП
Увыв
Увв
ЦП
ЗУ
Увыв
Рис. 1.4
В первом варианте ввод-вывод данных происходит под прямым
управлением центрального процессора, во втором – без участия процессора. В
такой структуре реализуется параллельная работа нескольких устройств ЭВМ.
Недостатки однопроцессорной одношинной структуры в том, что при
использовании одной шины общая продуктивность системы, во-первых,
диктуется производительностью процессора, во-вторых, ограничивается
11
последовательным характером процесса обмена информацией процессора с
прочими устройствами. Увеличение производительности системы за счет
повышения быстродействия элементов системы (процессора, памяти) дает
положительный результат только до определенных пределов, так как
ограничивается сверху пропускной способностью общей шины.
7. Двухпроцессорная архитектура
В простейшей двухпроцессорной архитектуре эффект “узкого места”
шины, в известной степени, нейтрализуется. Каждый процессор имеет
собственную память, в которой хранятся некоторые управляющие программы
(рис. 1.5). Дополнительно, в системе имеется общая память, доступная в
данный момент одному из процессоров.
Общее ОЗУ
Процессор 1
Локальная
память
Увв-выв
Процессор 2
Локальная
память
Рис. 1.5
Однако наличие общей магистрали и обмен с памятью в режиме разделения
времени (в два такта) все же создают определенные ограничения.
8. Многошинная многопроцессорная архитектура
Недостатки приведенных выше структур снимаются в многошинной
многопроцессорной организации ЭВМ. Рассмотрим один из примеров такой
организации (рис. 1.6).
12
Двухпорто
вое ОЗУ
ВЗУ
Системное
ОЗУ
принтер
Системны
й
процессор
процессор
коммуник
аций
клавиатур
а
Двухпорто
вое ОЗУ
дисплей
дисплейны
й
процессор
Рис. 1.6
В данной системе имеется три процессора, причем два из них выполняют
вспомогательные функции обслуживания внешних устройств. Поскольку
имеется несколько шин, то одновременно в системе может работать несколько
устройств.
Многопроцессорная
многошинная архитектура является базой для
построения супер ЭВМ, по своим характеристикам превосходящих
большинство современных ЭВМ.
Раздел 3. Персональные ЭВМ
1. Из истории создания персональных компьютеров
Появление в 1975 г. в США первого серийного персонального компьютера
(персональной ЭВМ – ПЭВМ) вызвало революционный переворот во всех
областях человеческой деятельности.
ПЭВМ относится к классу микроЭВМ и является машиной индивидуального
пользования. ПЭВМ предназначена для автономной работы в диалоговом
режиме с пользователем. Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно
низкой стоимостью, компактностью, отсутствием специальных требований, как
к условиям эксплуатации, так и степени подготовленности пользователя.
Основой
ПЭВМ
является
микропроцессор
(МП).
Развитие
микропроцессорной техники и технологии определило смену поколений
ПЭВМ:
- первое поколение (1975-1980 г.г.) – на базе 8-разрядного МП;
- второе поколение (1981-1985 г.г.) – на базе 16-разрядного МП;
- третье поколение (1986-1992 г.г.) – на базе 32-разрядного МП;
- четвертое поколение (с 1993 г.) – на базе 64-разрядного МП;
13
- пятое поколение (>2015 г.) – на базе 128-разрядного МП.
Большую роль в развитии ПЭВМ сыграло появление компьютера IBM PC,
произведенного корпорацией IBM на базе процессора Intel 8086 в 1981 г. Этот
персональный компьютер занял ведущее место на рынке ПЭВМ. Его основное
преимущество – “открытая архитектура”, благодаря которой пользователи
могут расширять возможности приобретенной ПЭВМ, добавляя различные
периферийные устройства и модернизируя компьютер.
В дальнейшем другие фирмы стали создавать компьютеры, совместимые с
IBM PC стал как бы стандартом класса ПЭВМ. В настоящее время около 85%
всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.
Персональные компьютеры (ПК) – однопользовательские микроЭВМ,
удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности
применения. Персональные компьютеры можно классифицировать по
типоразмерам. Так, различают:
 настольные (desktop),
 портативные (notebook),
 карманные (palmtop) модели,
 появились устройства, сочетающие возможности карманных
персональных компьютеров и устройств мобильной связи. Поанглийски они называются РDА, Personal Digital Assistant. Их можно
называть мобильными вычислительными устройствами (МВУ).
2. Структура ПЭВМ (ПК)
ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и
монитор. Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ к ней
можно подключать различные дополнительные периферийные устройства:
печатающие устройства (принтеры), различные манипуляторы (мышь,
джойстик, трекбол, световое перо), устройства ввода информации (сканеры,
графические планшеты – дигитайзеры), графопостроители и др.
14
Рис. Структура современной ПЭВМ
Эти устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей
через специальные гнезда (разъемы), которые размещены обычно на задней
стенке системного блока. Дополнительные устройства помешаются при
наличии свободных гнезд на материнской плате непосредственно в системный
блок, например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через
телефонную сеть. Как правило, ПЭВМ имеют модульную структуру (структура
современной ПЭВМ изображена на рис. 1.9.). Все модули связаны общей
шиной (системной магистралью).
Системная магистраль. Она выполняется в виде совокупности шин,
используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов.
Количество линий в шине адресов и данных определяется разрядностью кодов
адресов и данных, а количество линий в шине управления – числом
управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ
15
1 – системная магистраль (шина); 2 – постоянная память; 3 – память
экрана; 4 – оперативная память; 5 – схемы управления шиной; 6 – АЛУ; 7 –
регистры; 8 – УУ; 9 – интерфейс клавиатуры; 10 – 12 – контроллеры; 13 –
параллельный интерфейс; 14 – сетевой адаптер; 15 – НГМД; 16 – НЖМД; 17 –
НМЛ;
18 – ПУ; 19 – интерфейс манипуляторов; 20 – интерфейсы других
внешних устройств; 21 – последовательный интерфейс; 22 – модем; 23 –
дисплей; 24 – клавиатура.
Рис. 1.9
3. Устройства ПЭВМ
Системная магистраль. Она выполняется в виде совокупности шин,
используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов.
Количество линий в шине адресов и данных определяется разрядностью кодов
адресов и данных, а количество линий в шине управления – числом
управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ.
Системный блок. Являясь главным в ПЭВМ, этот блок включает в свой
состав центральный процессор, сопроцессор, модули оперативной и
постоянной памяти, контролеры, накопители на магнитных дисках и другие
функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ.
Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ПЭВМ,
подключая дополнительные устройства.
16
Контроллеры (К). Эти устройства служат для управления внешними
устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует свой контроллер. Электронные
модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых
внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ. После
получения команды от микропроцессора контроллер функционирует
автономно, освобождая микропроцессор от работы с ВУ. Контроллер содержит
регистры двух типов – регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти
регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен
определенный номер – адрес порта. Через порты пользователь может управлять
ВУ, используя команды ввода-вывода.
Микропроцессор.
Ядром
любой
ПЭВМ
является
центральный
микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и
управления работой всех блоков ПЭВМ. Конструктивно МП выполнен на
одном кристалле (на одной СБИС), иначе говоря, “чипе”. В состав МП входят:
 устройство управления;
 арифметико-логическое устройство;
 внутренняя регистровая память;
 кэш-память
и ряд других устройств.
АЛУ выполняет логические и а также арифметические операции в двоичной
системе счисления и двоично-десятичном коде, причем арифметические
операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой,
реализуются в специальном блоке. В некоторых ПЭВМ с этой целью
используется арифметический сопроцессор, имеющий собственные регистры
данных и управления. Сопроцессор работает параллельно с центральным
процессором.
Устройство
управления
микропроцессорного
типа
обеспечивает
конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки
(очереди команд).
Производительность микропроцессора значительно повышается за счет
буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти.
При этом уменьшается число обращений к внешней памяти.
В состав внутренней памяти МП входят функциональные регистры:
регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры
сегментов.
Устройство
управления
МП
обеспечивает
многозадачность.
Многозадачность – способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее
памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения
нескольких задач.
Оперативная память (ОП). Она строится на микросхемах и является
энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется. В ОП
хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные
данные и результаты. Емкость ОП измеряется в гигабайтах и в современных
ПЭВМ составляет 2 Гб и более.
17
Постоянная память (ПП). Она является энергонезависимой, используется
для хранения системных программ, в частности, базовой системы ввода-вывода
(BIOS), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП,
предназначены для постоянного использования микропроцессором.
4. Внешние устройства ПЭВМ
Эффективность использования ПЭВМ в большой степени определяется
количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в ее
составе. Внешние устройства обеспечивают хранение больших объемов данных
и взаимодействие пользователя с ПЭВМ.
Конструктивно каждая модель ПЭВМ имеет так называемый базовый набор
внешних устройств – клавиатуру, ручной манипулятор (мышь или другие),
дисплей, накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) и накопитель на
гибком диске (НГМД), составляющий вместе с системным блоком “базовую
конфигурацию” этой модели. При необходимости к ПЭВМ могут подключаться
также дополнительные внешние устройства: принтер, сканер и пр.
Клавиатура. Клавиатура реализует диалоговое общение пользователя с
ПЭВМ: ввод команд и данных.
Клавиатура представляет отдельный конструктивный блок. На общей плате
располагаются кнопки. По технологии изготовления клавиатуры делятся на
механические и мембранные (пленочные). Нажатие кнопки вырабатывает
электрический сигнал. Внутренняя схема обрабатывает сигналы, поступающие
на нее после нажатия кнопки, и преобразует их в последовательности кодов,
которые по разъему передаются компьютеру на обработку. Каждая клавиша
генерирует свой уникальный код. Центральный процессор преобразует
поступающие коды согласно таблице кодировки, расположенной в памяти
компьютера и выводит на монитор соответствующие символы.
Мышь. Общение пользователя с ПЭВМ облегчается с помощью различных
манипуляторов. Наиболее распространенным из них является мышь. Мышь
представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами.
Существует две разновидности мышей: оптико-механические и оптические. В
первой в днище находится свободно вращающийся шарик, движение которого
передается двум расположенным под углом 90 градусов роликам. Ролики в
свою очередь вращают жестко закрепленные диски с прорезями. С помощью
оптических излучателей и приемников и специальной электрической схемы это
вращение преобразуется в электрический сигнал. Импульсы передаются в
системный блок и управляют движением курсора (маленькой стрелки) на
экране монитора. В оптических мышах отсутствуют механические части:
движение мыши преобразуется в движение курсора посредством оптической
системы, расположенной в корпусе мыши.
Накопители на гибких дисках (НГМД). НГМД служат для хранения
программ и данных небольшого объема и удобны для переноса информации с
одной ЭВМ на другую. Носитель информации – гибкий диск – состоит из двух
частей: собственно носителя информации и конверта (корпуса), в котором
располагается этот носитель. Носитель информации изготавливается из
18
прочного пластика, на поверхность которого наносится тонкий слой
магнитного материала. Конверт изготовлен из пластмассы. Запись и чтение
информации с диска выполняется в дисководе гибкого диска с помощью
магнитных головок дисковода. Магнитная головка представляет собой
ферритовое ядро с головкой чтения/записи в центре и по стирающей головке с
каждой стороны. Головки чтения/записи читают (записывают) информацию в
виде намагниченных участков магнитного слоя; стирающие головки “очищают”
магнитный слой по обеим сторонам от записываемой дорожки данных для
предотвращения помех от записанных данных на соседних дорожках. Данные
сохраняются на диске в виде последовательности участков с противоположным
направлением магнитной индукции, что соответствует двоичным нулям или
единицам. Информация пишется на рабочую поверхность диска
по
концентрическим окружностям (дорожкам). Каждая дорожка разбита на части,
называемые секторами. Секторы представляют собой основную единицу
хранения информации на дискете.
Основными характеристиками гибкого диска является емкость и плотность
записи. Сегодня наиболее широко используется формат дискеты HD (высокая
плотность) – 80 дорожек на каждой из сторон, 18 секторов по 512 байт при
емкости диска 1,44 Мб размером 3,5 дюйма.
Накопители на жестких магнитных дисках. НЖМД (винчестер) содержит
несколько дисков, объединенных в пакет. Чаще всего такой пакет включает 4-6
дисков размером 5,25 дюймов. НЖМД является несменяемым, располагается
внутри системного блока. В НЖМД магнитные головки, объединенные в блок,
перемещаются одновременно в радиальном направлении по отношению к
дискам. Дорожки с одинаковыми номерами на разных поверхностях дисков
образуют цилиндр.
В настоящее время широкое распространение получили НЖМД с емкостью
в десятки ГБ.
Расширением внешней памяти достигается подключением к системному
блоку стримера. Стример – это устройство для высокоскоростной
записи/чтения данных на магнитную ленту. Обычно стримеры используются в
вычислительных системах в качестве устройств резервного копирования
информации, так как позволяют хранить информацию практически
неограниченное время.
В последние годы широко используются устройства для хранения
информации на оптических и магнитооптических (лазерных) дисках. Их
емкость измеряется гигабайтами. Оптические диски являются носителями для
однократной записи. Магнитооптические диски позволяют многократно
перезаписывать хранимую на них информацию.
Печатающие
устройства.
Существуют
различные
печатающие
устройства, различающиеся принципом работы. Рассмотрим лазерные и
струйные принтеры. В основе работы лазерного принтера лежит процесс
электростатической фотографии. Образ будущего изображения рисуется
статическим электричеством на поверхности фотопроводящего барабана с
помощью луча лазера (так называемое скрытое изображение). К заряженным
19
участкам барабана притягиваются частички краски (тонера), которые затем с
помощью системы валиков переносятся на бумагу. После переноса
изображения на бумагу оно закрепляется с помощью какого-либо процесса –
как правило, это
достигается вплавлением частичек краски в бумагу
посредством
нагрева.
Лазерные
принтеры
отличаются
высокой
производительностью и качеством печати.
Струйные принтеры в последние годы получают все большее
распространение. Причина в том, что будучи более дешевыми устройствами по
сравнению с лазерными принтерами, они обладают весьма близкими к ним
характеристиками. В струйных принтерах изображение формируется путем
нанесения на бумагу жидкой краски (чернил) с помощью сопел. При попадании
на бумагу чернила очень быстро впитываются и высыхают. Существует два
способа струйной печати. Первый – термоструйная печать. Каждое сопло
печатающей головки снабжается терморезистором. Для того, чтобы напечатать
точку, на один из резисторов подается напряжение, в результате нагрева
которого образуется паровой пузырь, выталкивающий капельку чернил из
сопла. В пьезоэлектрических устройствах в каждом сопле печатающей головки
на пути подачи чернил располагается пьезоэлемент, имеющий свойство
изменять свою форму под воздействием электрического напряжения. Чернила
практически не сжимаются, поэтому при изменении формы пьезоэлемента и,
как следствие, изменения объема камеры сопла, часть чернил выбрасывается
наружу.
Графопостроители (плоттеры) применяются для вывода графической
информации. Конструктивно современные плоттеры напоминают лазерные и
струйные принтеры, однако отличаются большими размерами кареток, что
позволяет выводить чертежи очень больших размеров.
Раздел 4. Системы обработки данных
Отдельная ЭВМ или процессор являются элементами, позволяющими
строить сложные вычислительные системы обработки данных. Система
обработки данных
(СОД) – это совокупность технических средств и
программного
обеспечения,
предназначенная
для
информационного
обслуживания пользователей и технических объектов.
В состав технических средств СОД входит оборудование для ввода,
хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства
сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных и линии связи.
Программное обеспечение СОД – это совокупность программ, реализующих
возложенные на систему функции. Функции СОД состоят в выполнении
требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода.
1. Классификация СОД
СОД можно классифицировать на основе способа построения. На рис.1.10
представлена такая классификация.
20
СОД
ЭВМ
ВК
многома
ш.
Выч.
системы
Системы
телеобра
ботки
многопро
ц.
Сети
глобальные
локальны
е
Рис.1.10
2. Одномашинные СОД
Одномашинные СОД. Исторически первыми были одномашинные СОД,
построенные на базе единственной ЭВМ с классической однопроцессорной
структурой. К настоящему времени накоплен
значительный опыт
проектирования и эксплуатации таких СОД. Однако, производительность и
надежность таких систем оказывается удовлетворительной для ограниченного
применения, когда требуется относительно невысокая производительность и
допускается простой системы в течение нескольких часов из-за отказов
оборудования. К настоящему времени мы пришли к физическому пределу
быстродействия элементов электронных схем ЭВМ, а стало быть, к пределу
производительности систем на базе таких ЭВМ. Кроме того, при любом
уровне технологии невозможно обеспечить абсолютную надежность
элементной базы, и поэтому нельзя исключить для таких СОД возможность
потери работоспособности.
3. Многомашинные СОД
Вычислительные комплексы. Начиная с 60-х г. XX в. для повышения
надежности и производительности СОД несколько ЭВМ связывались между
собой, образуя многомашинный вычислительный комплекс (ВК). В ранних ВК
связь между ЭВМ обеспечивалась через ВЗУ, т.е. за счет доступа к общим
наборам данных. Такая связь называется косвенной и оказывается эффективной
только тогда, когда ЭВМ взаимодействуют редко (рис.1.11 а).
Более оперативное взаимодействие ЭВМ достигается за счет прямой связи
через адаптер, обеспечивающий обмен данными
и передачу сигналов
прерывания через каналы ввода-вывода (КВВ) двух ЭВМ (рис.1.11 б). За счет
21
ЭВМ
ЭВМ
ЭВМ
НМД
НМД
НМД
Адаптер
этого создаются хорошие условия для координации процессов обработки
данных и повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести
параллельную обработку данных и существенно увеличить производительность
СОД.
квв
квв
НМД
ЭВМ
НМД
а – косвенная связь
б – прямая связь
Рис. 1.11
В многомашинных ВК взаимодействие процессов обработки данных
осуществляется только за счет обмена сигналами прерывания и передачи
данных через адаптеры КВВ или ВЗУ.
4. Многопроцессорный комплекс
Лучшие условия для взаимодействия процессов обработки данных – когда
все процессы имеют доступ ко всему объему данных и могут
взаимодействовать со всеми периферийными устройствами ВК. ВК,
содержащие несколько процессоров с общим ЗУ и периферийными
устройствами, называются многопроцессорными ВК. Пример такого комплекса
приведен на рис.1.12.
Процессоры (Пр), модули оперативной памяти (МП) и каналы ввода-вывода
(КВВ), к которым подключены периферийные устройства (ПУ) объединены в
единый комплекс с помощью средств коммутации, обеспечивающих доступ
каждого процессора к любому модулю оперативной памяти и к каналу вводавывода.
Пр
Пр
Пр
Средства коммуникации
МП
МП
МП
КВВ
КВВ
ПУ
ПУ
ПУ
ПУ
22
Рис.1.12
В многопроцессорном комплексе отказы отдельных устройств влияют на
работоспособность СОД в меньшей степени, чем в многомашинном ВК.
Многопроцессорные ВК позволяют вести параллельную обработку
информации.
Многомашинные и многопроцессорные ВК являются базовыми средствами
для создания СОД различного назначения. Поэтому в состав ВК принято
включать только технические и общесистемные средства, но не прикладное
программное обеспечение.
5. Вычислительные системы
Вычислительные системы. СОД, настроенная на решение задач в
конкретной области применения, называется вычислительной системой.
Вычислительная система включает в себя технические средства и программное
обеспечение, ориентированные на решение определенной совокупности задач.
Существует два способа ориентации систем:
– вычислительная система может строиться на основе ЭВМ или ВК общего
назначения, и ориентация системы осуществляется за счет программных
средств – прикладных программ и, возможно, операционной системы;
– ориентация на заданный комплекс задач может достигаться за счет
использования специализированных ЭВМ и ВК. Специализированные
вычислительные системы наиболее широко используются при решении задач
векторной и матричной алгебры, задач, связанных с решением интегральных и
дифференциальных уравнений, обработкой изображений, распознаванием
образов и т. д.
Вычислительные системы, построенные на основе специализированных ВК,
начали интенсивно разрабатываться с конца 60-х г. XX в. В таких системах
использовались процессоры со специализированными системами команд, а
конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретный класс задач.
В 70-х стали разрабатываться адаптивные вычислительные системы, гибко
приспосабливающиеся к решаемым задачам. Адаптация такой системы
осуществляется за счет изменения конфигурации системы, в связи с этим такие
системы еще называют системами с динамической структурой. За счет
динамической структуры достигается высокая производительность и
устойчивость к отказам.
6. Системы телеобработки
Уже первоначальное использование СОД для управления производством,
транспортом и материально-техническим снабжением показало, что
эффективность систем можно значительно повысить, если обеспечить ввод
данных непосредственно с мест их появления и выдавать результаты обработки
в места их использования. Для этого необходимо связать СОД и рабочие места
пользователей с помощью каналов связи. Системы, предназначенные для
обработки данных, передаваемых по каналам связи, называются системами
телеобработки данных (рис. 1.13)
23
Каналы
Устройство
сопряжения
ЭВМ (ВК)
терминал
связи
терминал
терминал
Рис.1.13
Пользователи (абоненты) взаимодействуют с системой посредством
терминалов (абонентских пунктов), подключаемых через каналы связи к ЭВМ
или ВК. Данные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков
данных, несущих кроме собственно данных служебную информацию,
необходимую для управления процессами передачи и защиты данных.
Телеобработка данных значительно повышает оперативность обслуживания
пользователей и позволяет создавать крупномасштабные системы,
обеспечивающие доступ широкого круга пользователей к информации.
7. Глобальные вычислительные сети
Глобальные вычислительные сети. С ростом масштабов применения ЭВМ
практически во всех сферах деятельности человека, возникла необходимость
объединения СОД, обслуживающих отдельные предприятия и коллективы.
В конце 60-х г. XX в. был предложен способ построения вычислительных
сетей, объединяющих ЭВМ (ВК) с помощью базовой сети передачи данных
(СПД) (рис.1.14).
ЭВМ
ЭВМ
УС
УС
СПД
Т
Т
УС
УС
ЭВМ
ЭВМ
Т
Т
Т
Рис.1.14
24
Ядром системы является базовая сеть передачи данных СПД, состоящая из
каналов связи и узлов связи УС. Узлы связи принимают данные и передают их
в направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ЭВМ
подключаются к узлам связи. Совокупность ЭВМ, объединенных сетью
передачи данных, образует сеть ЭВМ. Совокупность терминалов (Т) и средств
связи, обеспечивающих подключение терминалов к ЭВМ, образует
терминальную сеть. Таким образом, глобальная вычислительная сеть
представляет собой композицию базовой сети передачи данных, сети ЭВМ и
терминальной сети.
Глобальные вычислительные сети – наиболее эффективный способ
построения крупномасштабных СОД. Использование вычислительных сетей
позволяет автоматизировать управление отраслями производства, транспортом,
материально-техническим снабжением в масштабе крупных регионов и страны
в целом.
8. Локальные вычислительные сети
Локальные вычислительные сети. К концу 70-х г. XX в. в сфере обработки
данных широкое распространение наряду с большими ЭВМ общего назначения
получили мини-ЭВМ и микро-ЭВМ и начали применяться персональные
компьютеры. При этом для обработки данных в рамках одного учреждения
использовалось большое число ЭВМ, в то время как коллективный характер
труда требовал оперативного обмена данными между пользователями ЭВМ. В
этот период времени был разработан эффективный способ объединения ЭВМ,
расположенных на небольшом расстоянии друг от друга – локальные
вычислительные сети.
Локальная
вычислительная
сеть
(ЛВС)
–
это
совокупность
близкорасположенных ЭВМ, которые оснащены последовательными
интерфейсами
и
программными
средствами,
обеспечивающими
информационное взаимодействие между процессами в различных ЭВМ.
Типичная структура ЛВС приведена на рис.1.15.
ЭВМ
ЭВМ
ЭВМ
ЭВМ
СА
СА
СА
СА
моноканал
Рис.1.15
Все ЭВМ сопрягаются между собой с помощью моноканала. Длина
моноканала не превышает нескольких сотен метров. ЭВМ подсоединяются к
моноканалу посредством сетевых адаптеров СА, иначе говоря, контроллеров
25
сети, реализующих операции ввода-вывода. Наличие в такой структуре одного
канала для обмена данными существенно упрощает процедуры установления
соединений и обмена данными между ЭВМ. Поэтому сетевое программное
обеспечение ЭВМ оказывается более простым, чем в глобальных ВС.
Раздел 5. Программное обеспечение информатики
Термин “программное обеспечение” относится ко всем программам,
составленным для выполнения на ЭВМ. Объем программ может составлять от
нескольких десятков операторов (студенческие программы) до нескольких
тысяч (прикладные системы общего назначения). Данные программы образуют
класс прикладного программного обеспечения, предназначенных для решения
конкретных задач пользователей.
Другой класс программного обеспечения – это программы системного
назначения, образующие класс системного программного обеспечения. К ним
относятся:
– операционные системы;
– алгоритмические языки и системы программирования на их основе.
Операционные системы дополняют аппаратные средства любого
компьютера, позволяя прикладным программам обращаться к внешним
устройствам, а пользователю ЭВМ – управлять работой системы с помощью
соответствующих команд.
Инструментальные языки и системы программирования – это особая
категория программных средств. С их помощью создаются все другие
программы, включая программы системного назначения. Существует широкая
номенклатура языков программирования, каждый из которых характеризуется
определенными свойствами, предназначенными для решения определенных
классов задач.
1. Операционные системы (ОС)
ОС является неотъемлемой частью ЭВМ, обеспечивая управление всеми
аппаратными компонентами ЭВМ. Число ОС невелико – не более десятка, но
их роль чрезвычайно важна. Наиболее распространены операционные системы
семейства Windows, Unix, ОС Mac, Linux.
Назначение ОС. ОС решает две главные задачи. Первое – поддержка работы
всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой. Второе –
предоставление пользователю возможности общего управления машиной.
В рамках первой задачи ОС обеспечивает взаимодействие программ с
внешними устройствами и друг с другом, распределение оперативной памяти,
выявление различных событий в процессе работы и реакцию на них и др.
Общее управление машиной осуществляется на основе командного языка ОС
(языка директив).
2. Состав ОС
Состав ОС. Основные компоненты любой ОС:
– файловая система;
– процессор командного языка (командный процессор);
26
– драйверы внешних устройств.
Файловая система. Одна из важнейших функций ОС – организация
файловой системы. Файл – это место постоянного хранения информации –
программ и данных. Реализуются файлы как участки памяти ЭВМ на внешних
носителях информации. Каждый файл имеет свое имя, зарегистрированное в
оглавлении файлов – каталоге. Каталоги доступны пользователю либо через
командный язык ОС, либо через “программы-оболочки”. Эти средства
позволяют выполнять операции с файлами: просматривать их, переносить,
копировать, удалять. Каталог может также иметь собственное имя и храниться
в другом каталоге наряду с обычными файлами. Такой каталог называется
подкаталогом (подчиненным) либо вложенным. Совокупность каталогов и
файлов файловой системы образуют иерархическую структуру, называемую
деревом каталогов.
К файловой системе имеет доступ любая прикладная программа – для этого
в языках программирования имеются специальные процедуры.
Драйверы. ЭВМ может иметь большой набор внешних устройств (ВУ).
Помимо стандартных (дисплей, клавиатура, мышь, дисководы, принтер) к ЭВМ
подключаются дополнительные устройства: модем, графопостроитель, сканер,
котроллер локальной сети и пр. Поддержка широкого набора ВУ – одна из
важнейших функций ОС. Для ее осуществления используются специальные
программы, ориентированные на управление конкретным ВУ– драйверы.
Командный процессор. Всякая ОС имеет командный язык. Анализ и
исполнение команд осуществляется командным процессором ОС. Кроме ввода
отдельных команд имеется возможность составления программ на командном
языке, которые обеспечивают выполнение ЭВМ ряда сложных действий. Эти
программы оформляются в виде командных файлов.
3. Инструментальные языки и системы программирования
Разработка системного и прикладного программного обеспечения на ЭВМ
осуществляется
с
помощью
языков
программирования.
Наиболее
элементарным языком является машинный язык, в котором команды и данные
представляются с помощью двоичных кодов. Однако программирование на
машинном языке является весьма трудоемким, и поэтому программы пишутся
на языке, имеющем более символическую форму. Простейшими являются так
называемые машинно-ориентированные языки, или языки ассемблера. Языки
ассемблера являются языками низкого уровня.
С целью упрощения техники программирования были разработаны
алгоритмические языки высокого уровня, приближенные по символике к
естественному человеческому языку, однако лишенные его неоднозначности.
Примеры языков высокого уровня: Бейсик, Паскаль, Фортран, С, Пролог.
Программа, написанная на любом из языков, имеющих более высокий
уровень, чем машинный, называется исходной программой и требует перевода
на машинный язык. Перевод на машинный язык выполняют специальные
программы, называемые трансляторами.
27
Трансляторы бывают двух типов: компиляторы и интерпретаторы.
Результат процесса трансляции исходной программы называется объектной
программой. В простейшем случае объектная программа получается на
машинном языке. Отличие интерпретатора от компилятора заключается в том,
что интерпретатор считывает и пытается выполнить немедленно каждый
оператор программы, а компилятор сначала переводит весь текст, и только
потом выполняет предусмотренные программы. Использование интерпретатора
снижает скорость работы программы, однако значительно облегчает процесс
отладки программы и диагностики ошибок.
4. Системы программирования
Системы программирования на основе языков высокого уровня, как
правило, включают следующие компоненты:
 текстовый редактор;
 транслятор языка;
 средства редактирования, компоновки и загрузки программы;
 макроассемблер;
 отладчик машинных программ.
Примеры систем программирования: IDLE Python, Visual Basic, С++Builder,
Delphi, NetBeans (Java).
28