Тема 1. Общие сведения о вычислительных машинах и архитектуре ПК

Тема 1. Общие сведения о вычислительных машинах и архитектуре ПК

Основные понятия и концепции организации ввода/вывода в ОС

     Ввод/вывод считается одной из самых сложных областей проектирования операционных систем, в которой сложно применить общий подход из-за изобилия частных методов. Сложность возникает из-за огромного числа устройств ввода/вывода разнообразной природы, которые должна поддерживать ОС. При этом перед создателями ОС встает очень непростая задача. Она заключается в том, чтобы не только обеспечить эффективное управление устройствами ввода/вывода, но и создать удобный и эффективный виртуальный интерфейс устройств ввода/вывода. Такой интерфейс должен позволять прикладным программистам просто считывать или сохранять данные, не обращая внимание на специфику устройств.

     Система ввода/вывода должна быть универсальной. Она должна учитывать потребности существующих устройств, от простой мыши до клавиатур, принтеров, графических дисплеев, дисковых накопителей, компакт-дисков и т.д.

     С другой стороны, необходимо обеспечить доступ к устройствам ввода/вывода для множества параллельно выполняющихся задач, причем так, чтобы они как можно меньше мешали друг другу.

     Поэтому самым главным является следующий принцип: любые операции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом самой ОС. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров вводятся режимы пользователя и супервизора.

     Как правило, в режиме супервизора выполнение команд ввода/вывода разрешено, а в пользовательском режиме запрещено. Использование команд ввода/вывода в пользовательском режиме вызывает исключение и управление через механизм прерываний передается коду ОС. Хотя возможны и более сложные системы, в которых пользовательским программам разрешено непосредственное выполнение команд ввода/вывода.

     Одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода/вывода и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осуществляется управление обменом данными между внешними устройствами и оперативной памятью.

     Внешние устройства бывают с разделяемым и неразделяемым механизмом доступа. 

     К разделяемым устройствам относятся накопитель на магнитных дисках и устройство для чтения компакт-дисков. Это устройства с прямым доступом.

     К неразделяемым устройствам относятся принтер и накопитель на магнитных лентах. Это устройства с последовательным доступом.

     Операционные системы должны управлять и теми и другими устройствами, предоставляя возможность параллельно выполняющимся задачам использовать различные устройства ввода/вывода.

     Управление осуществляется посредством супервизора ввода-вывода..

     В перечень основных задач, возлагаемых на супервизор, входят следующие:

1. Супервизор ввода/вывода получает запросы на ввод/вывод от прикладных задач и от программных модулей самой операционной системы. Эти запросы проверяются на корректность, и если запрос выполнен по спецификациям и не содержит ошибок, он обрабатывается дальше. В противном случае пользователю выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.

2. Супервизор ввода/вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод/вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода/вывода). Запрос на ввод/ вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение.

3. Супервизор ввода/вывода инициирует операции ввода/вывода (передает управление соответствующим драйверам).

4. При получении сигналов прерываний от устройств ввода/вывода супервизор идентифицирует их и передает управление соответствующей программе обработки прерывания.

5. Супервизор ввода/вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода/вывода.

6. Супервизор ввода/вывода посылает сообщения о завершении операции ввода/вывода.

     Таким образом, прикладные программы не могут непосредственно связываться с устройствами ввода/ вывода. Запросив работу с внешним устройством, они могут передать управление супервизору ввода/вывода. А уже он запускает необходимые логические и физические операции.

 

     5.2. Режимы управления вводом/выводом

 

Имеются два основных режима ввода/вывода:

1. Режим обмена с опросом готовности устройства ввода/вывода.

2. Режим обмена с прерываниями.

     Пусть, например, управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор. Он посылает устройству управления команду выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. Устройство исполняет команду.

     Но быстродействие устройства ввода/вывода намного меньше быстродействия центрального процессора (на несколько порядков). Поэтому сигнал готовности устройства к следующей команде процессору приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая соответствующую линию интерфейса. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, бессмысленно.

     В режиме опроса готовности драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду “проверить наличие сигнала готовности”. До тех пор пока сигнал готовности не появится, драйвер ничего другого не делает. При этом, естественно, нерационально используется время центрального процессора.

     Гораздо выгоднее, выдав команду ввода/ вывода, на время забыть об устройстве ввода/вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства ввода/вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса на прерывание.

     Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством, может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода/вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто называют уставкой тайм-аута .

     Если это время истекло после выдачи устройству очередной команды, а устройство так и не ответило, то делается вывод о том, что связь с устройством потеряна, и управлять им больше нет необходимости. Пользователь или задача получают соответствующее диагностическое сообщение.

     Драйверы , работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько секций: 1) секцию запуска,

     2) одну или несколько секций продолжения,

     3) секцию завершения.

     Секция запуска инициирует операцию ввода/вывода. Эта секция запускается для включения устройства ввода/вывода либо просто для инициации очередной операции ввода/вывода.

     Секция продолжения осуществляет основную работу по передаче данных. Она является основным обработчиком прерывания. Интерфейс может потребовать для управления вводом/выводом несколько управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, только один. Поэтому после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции. Это делается за счет изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции.

     Секция завершения обычно выключает устройство ввода/вывода либо просто завершает операцию.

     Управление операциями ввода/вывода в режиме прерываний требует больших усилий со стороны системных программистов. Такие программы создавать сложнее, чем те, которые работают в режиме опроса готовности.

     Примером тому может служить ситуация с драйверами, обеспечивающими печать. Так, в ОС Windows (и Windows 9x, и Windows NT) драйвер печати через параллельный порт работает не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100%-й загрузке центрального процессора на все время печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счет того, что ОС Windows реализует вытесняющую мультизадачность и время от времени прерывает процесс управления печатью и передает центральный процессор остальным задачам.

 

     5.3. Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода

 

     Многие устройства не допускают совместного использования. К ним относятся устройства с последовательным доступом. Такие устройства могут стать закрепленными, то есть быть предоставленными некоторому вычислительному процессу на все время жизни этого процесса.

     Однако это приводит к тому, что вычислительные процессы часто не могут выполняться параллельно. Они ожидают освобождения устройств ввода/вывода. Для организации использования многими параллельно выполняющимися задачами устройств ввода/вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств. Использование принципа виртуализации позволяет повысить эффективность вычислительной системы.

     Виртуальность проявляется в том, что каждому вычислительному процессу предоставляется не реальный, а виртуальный принтер. Поток выводимых символов (или управляющих кодов для их печати) сначала направляется в специальный файл.      И уже потом содержимое файла выводить на принтер. Системный процесс, который управляет такими файлами, называется спулером .

 

     Для закрепления материала:

       https: //www.youtube.com/watch? v=hKbCuu5DGT0 - 34 мин
     Тема 6. Программное обеспечение

    

     6.1. Уровни программной конфигурации

 

Компьютер является системой, которая выполняет действия по заранее заданным программам. Это обеспечивает универсальность использования компьютера: В любой момент времени решается задача, которая реализуется соответствующей программой. В современных компьютерах могут параллельно выполняться несколько программ. Таким образом, компьютер должен быть оснащен программным обеспечением.

Под программным обеспечением понимается совокупность программ, хранящихся на компьютере. Совокупность программ, подготовленных к работе, называют установленным программным обеспечением. Совокупность программ, работающих в данный момент времени, называют программной конфигурацией.

Взаимодействие пользователя с компьютером реализуется по следующей схеме:

Рис. 6.1.

     6.2. Категории программного обеспечения

 

Все программы, работающие на компьютере, можно разделить на три категории:

 

Рис. 6. 2. Категории программного обеспечения

 

       6.3. Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение представляет собой совокупность программ для обеспечения как самостоятельной работы компьютера, так и его работу в сети. Оно предназначено: для организации выполнения различных прикладных программ; создания новых программ, проведения диагностики и профилактики компонентов компьютера.

В его состав входят системные управляющие и системные обрабатывающие программы. Управляющие системные программы организуют корректное функционирование всех устройств системы. Обрабатывающие системные программы выполняются как специальные прикладные задачи, или приложения. Вместе они образуют операционную систему. Она предназначена для управления выполнением прикладных (пользовательских) программ.

     Системное ПО делится на две группы:

1. Базовое

2. Служебное

     Под базовым ПО понимается совокупность программ, обеспечивающих работу компьютера. Оно является наиболее низким уровнем. Термин «низкий уровень» означает, что данное программное обеспечение реализует функционирование внутренних узлов компьютера (процессора, ОЗУ, шин данных, адресных, управления и т.д.) и внешних устройств (клавиатуры, накопителей на жестких дисках, на гибких дисках и т.д.). в соответствии с особенностями архитектуры основной (материнской) платы компьютера. Базовая система обеспечивает взаимосвязь между другими уровнями программного обеспечения.

Базовое программное обеспечение находится в специальных микросхемах постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), является неотъемлемой частью материнской платы компьютера и образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Данное программное обеспечение создается изготовителем и не может быть изменено. Допускается лишь обновление системы BIOS и строго по рекомендациям изготовителя.

Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие других программ с аппаратным обеспечением. Дополнение компьютера внешними устройствами (принтерами, сканерами и т.д.) требует установки соответствующих программ (драйверов) для согласования их работы с системой BIOS.

     В базовое ПО входят:

1. Операционные системы.

2. Операционные оболочки (shell).

     Операционные системы - программы, которые управляют устройствами компьютера (процессором, оперативной памятью, устройствами ввода\вывода) и обеспечивают работу других программ.

     В операционные системы входят следующие программы:

1. Планировщик процессов - для организации эффективного использования ресурсов компьютера (процессора, памяти).

2. Файловая система - для работы с файлами (запись, чтение, копирование, перемещение и т.д.).

3. Системные библиотеки - для поддержки приложений. В них представлены функции, которые сложны для самостоятельного написания и часто используются в программах. Например, функции ввода\вывода информации, расчета математических функций и др.

     Примеры ОС:

1. MS DOS, IBM PC DOS,

2. MS Windows (98, XP, 7, 8, 10)

3. Mac OS, Mac OS X,

4. Linux

     Операционные оболочки - интерфейс для взаимодействия пользователей с операционной системой. Операционные оболочки интерпретируют (переводят в машинный код и выполняют) команды ОС.

     Виды операционных оболочек:

1. Графические - для ввода команд ОС посредством меню, переключателей, кнопок, представленных в виде графических изображений (Проводник Windows, включающий " Рабочий стол", меню " Пуск", панель задач и файловый менеджер).

Текстовые.

3. Командная строка - для ввода команд ОС с клавиатуры (cmd.exe - переход к MS DOS;            - выводит информацию о системе).

4. Пакеты - для записи последовательности команд ОС в файл (файл с расширением.bat).

5. Окна - для ввода команд ОС посредством меню, переключателей, кнопок, представленных в виде набора букв, цифр и символов

     К служебному ПО относятсясервисные программы или утилиты - совокупность программ, расширяющих базовое ПО. Сюда входят:

1) Файловые менеджеры ( Total Commander, Var... )

2) Драйверы устройств

К компьютеру подключаются различные устройства (дисководы, мониторы, клавиа­тура, мышь, принтер и т.д.). Каждое устройство выполняет определенную функцию (ввод информации, хранение информации, вывод информации). Техническая реа­лизация устройств существенно различается. Поэтому каждому устройству должен соответствовать свой драйвер. Большинство ОС содержит в себе много драйверов. Драйверы для новых устройств поставляются вместе с ними в комплекте.

3) Утилиты  - программ вспомогательного назначения. Они дополняют возможности ОС, обеспечивая выполнение различных вспомогательных действий.

     Обычно некоторое количество утилит поставляются в составе соответствующей ОС, но немало утилит создано независимыми разработчиками и поставляются отдельно от ОС. Часто утилиты объединяются в комплексы, например, Norton Utilities, РС Тооls Deluхе и др.

     Чаще всего используются следующие типы утилит:

     1) Антивирусные программы предназначены для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствий заражения. Примеры: Dr.Web, Nod32, Касперский, ...

     2) Программы-упаковщики (архиваторы) позволяют за счет применения специальных методов «упаковки» информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл. Примеры: WinRAR

     3) Русификатор - это программа, приспосабливающая другую программу для работы с русскими буквами и текстами (а иногда и переводящая на русский язык ее меню и сообщения).

     4) Программы для диагностики компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера (количество памяти, ее использование, типы дисков и т.д.) и работоспособность его устройств.

     5) Программы ограничения доступа. Во многих случаях желательно защитить компьютер, файлы на нем или настройки компьютера от нежелательных пользователей

 

Прикладное ПО

Прикладное программное обеспечение предназначено для решения различных пользовательских задач.

Оно делится на две группы:

1. Общего назначения (текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы и т.д.).

2. Специального (профессионального) назначения (электронные энциклопедии, учебники, системы автоматизированного перевода и т.д.).

     К числу программ общего назначения относятся офисные программы.

1) Программы офисногоназначения -это те программы, которые используются практически во всех деловых применениях компьютеров. К ним относятся текстовые редакторы, текстовые процессоры, графические редакторы, электронные таблицы. Такой набор программ обычно входит в комплекты офисных программ Microsoft Office.

а) Редакторы документов ( Microsoft Word, Лексикон, ...)

б) Табличные процессоры ( Microsoft Ехсеl, Lotus 1-2-3, Quatro Р r о, ...)

в) Программы подготовки презентаций ( Microsoft PowerPoint, Lotus Freelance Graphics, ...)

г) Программы работы в сети Интернет (браузеры - Internet Explorer, Mozilla Firefox, Safari, Google Chrome, Opera, ...; программы для интерактивного общения - Skype, ASQ, ... почта - e-mail - The bath, mail, ...)

2) Компьютерная графика (Microsoft Р aint, Microsoft Paint.NET, Adobe Photoshop, Со r е l Draw, Adobe Illustrator, Corel Dream 3D, ...)

3) Компьютерное видео и анимация (Microsoft Windows Movie Maker, Adobe Premiere, Autodesk 3D Studio, ....)

К числу программ специальн6ого назначения относятся:

1) СУБД - системы управления базами данных ( Microsoft Access, F охР r о Lotus Approach, DataEase, Paradox, ...)

2) САПР - системы автоматизированного проектирования (AutoDesk АutoCad, AutoDesk Inventor, Аскон «Компас», ...)

3) Программы экономического назначения (1С: Предприятие, Парус, Турбо бухгалтер, ...)

4) Издательские системы (А d оbе Ра geMaker, QuarkXpress, ...)

5) Энциклопедии, словари, обучающие программы, игры и т.д.

6) Прочие прикладные программы:

· обучающие программы, электронные справочники и энциклопедии; авторские системы, позволяющие создавать мультимедиа-программы, обучающие системы, Web-страницы и т.д.;

· программы для обмена информацией между компьютерами;

· программы удаленного доступа к локальным сетям;

· компьютерные игры;

· обучающие программы;

· электронные справочники и т.д.

 

5. Системы программирования (системы создания новых программ)

 

     Наиболее популярные системы программирования программ с использованием визуальных средств являются:

1. Borland Delphi - предназначен для решения практически любых задачи прикладного программирования.

2. Borland C++ Builder – средство, используемое для разработки DOS и Windows приложений.

3. Microsoft Visual Basic – популярный инструмент для создания Windows-программ.

4. Microsoft Visual C++ - это средство позволяет разрабатывать любые приложения, выполняющиеся в среде ОС типа Microsoft Windows.

     Тема 7. Информационная безопасность

 

     7.1. Понятие «информационный ресурс»

 

     Понятие « информация », является емким. Оно относится к группе общенаучных категорий. Информация в настоящее время приобретает большое значение и является ресурсом, который используется в процессе хозяйственной деятельности. В условиях рыночной экономики она приобретает черты товара (информационные товары, услуги).

     С наиболее общих позиций информационный ресурс может быть определен как совокупность накопленной информации, зафиксированной на материальном носителе в любой форме Он обеспечивает передачу информации во времени и пространстве для решения научных, производственных, управленческих и других задач.

     Информационные ресурсы характеризуются:

1. Тематикой (общественно-политическая, научная, техническая, правовая, экономическая и т.д.).

2. Формой собственности (государственная, муниципальная, частная).

3. Доступностью (открытая, секретная, ограниченного использования).

4. Формой представления (текстовая, изобразительная, звуковая).

5. Носителем (бумажный, электронный).

     Использование информационных ресурсов к настоящему времени их роль и значение неизмеримо увеличились. Информационные ресурсы занимают все более значимое положение в ряду с другими ресурсами предприятия, отрасли и экономики в целом.

     К наиболее значимым информационным продуктам и услугам относятся:

1. Базы данных.

2. Программное обеспечение.

3. Образовательные услуги.

4. Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и т.д.

      Эти продукты и услуги обмениваются на информационном рынке и отличаются многочисленными особенностями как на стадиях разработки, производства, так и на этапе его функционирования.

     Для принятия правильных решений хозяйствующим субъектам необходим доступ к соответствующим информационным ресурсам. За пользование таких ресурсов приходится платить немалые деньги.

     Количество, качество и доступность информационных ресурсов уже сейчас во многом определяет уровень развития страны и ее статус в мировом сообществе. В будущем статус информационных ресурсов будет только расти.

         

Топология сети

 

Топология сетей делится на 2 большие категории:

1) физическая;

2) логическая.

Физическая топология - это структура сети. Она определяет, где находятся узлы, какие сетевые промежуточные устройства используются, какие сетевые кабели используются, как они протянуты и какой порт используется.

Логическая топология - определяет каким путем будут идти пакеты данных.

Топология сети может быть следующего вида:

1) Топология с общей шиной (англ. Bus Topology)

Рис. 8.2. Топология сети с общей шиной

   

     Это одна из первых топологий. Суть состояла в том, что к одному длинному кабелю подсоединяли все устройства и организовывали локальную сеть. На концах кабеля требовались терминаторы (сопротивление на 50 Ом). Они использовалось для того, чтобы сигнал не отражался в кабеле. Преимущество ее было только в простоте установки. С точки зрения работоспособности была крайне не устойчивой. Если где-то в кабеле происходил разрыв, то вся сеть оставалась парализованной.

     2) Кольцевая топология (англ. Ring Topology)

 

Рис. 8.3. Кольцевая топология

 

В данной топологии каждое устройство подключается к 2-ум соседним. Таким образом создается кольцо. Здесь логика такова, что с одного конца компьютер только принимает, а с другого только отправляет. То есть, получается передача по кольцу и следующий компьютер играет роль ретранслятора сигнала.

За счет этого нужда в терминаторах отпала. Соответственно, если где-то кабель повреждался, кольцо размыкалось и сеть становилась не работоспособной. Для повышения отказоустойчивости, применяют двойное кольцо, то есть в каждое устройство приходит два кабеля, а не один. Соответственно, при отказе одного кабеля, остается работать резервный.

 

3) Топология звезда (англ. Star Topology)

 

Рис. 8.4. Топология звезда

 

Все устройства подключаются к центральному узлу, который является ретранслятором. В наше время данная модель используется в локальных сетях, когда к одному коммутатору подключаются несколько устройств. Здесь отказоустойчивость значительно выше, чем в двух предыдущих. При обрыве, какого либо кабеля, выпадает из сети только одно устройство. Все остальные продолжают работать. Однако, если откажет центральное звено, сеть станет неработоспособной.

 

4) Полносвязная топология (англ. Full-Mesh Topology)

 

Рис. 8.5. Полносвязная топология

 

     Все устройства связаны напрямую друг с другом. То есть с каждого на каждый. Данная модель является самой отказоустойчивой, так как не зависит от других. Но строить сети на такой модели сложно и дорого. Так как в сети, в которой минимум 1000 компьютеров, придется подключать 1000 кабелей на каждый компьютер.

     5) Неполносвязная топология (англ. Partial-Mesh Topology)

Рис. 8.6. Неполносвязная топология

 

     Соединение построено не с каждого на каждый, а через дополнительные узлы. То есть узел A, связан напрямую только с узлом B, а узел B связан и с узлом A, и с узлом C. Чтобы узлу A отправить сообщение узлу C, ему необходимо отправить сначала узлу B, а узел B в свою очередь отправит это сообщение узлу C. По этой топологии работают маршрутизаторы.

Пример: Если из дома выходить в Интернет, то нет прямого кабеля до всех узлов. Сообщение отправляется провайдеру, а он уже знает куда эти данные нужно передать.

     6) Смешанная топология (англ. Hybrid Topology)

Рис. 8.7. Смешанная топология

 

Это самая популярная топология. Представляет собой древовидную структуру, которая объединяет все топологии. Одна из самых отказоустойчивых топологий, так как если у двух площадок произойдет обрыв, то парализована будет связь только между ними, а все остальные объединенные площадки будут работать безотказно. На сегодняшний день, данная топология используется во всех средних и крупных компаниях.

 

Тема 1. Общие сведения о вычислительных машинах и архитектуре ПК

1234Следующая ⇒

Поделиться: