Основные принципы работы компьютера

Назначение и основные функции операционных систем. Состав операционной системы

Операционная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ для организации взаимодействия пользователя с компьютером и выполнения всех других программ. ОС относятся к составу системного программного обеспечения и являются основной его частью. Операционные системы: MS DOS 7.0, Windows Vista Business, Windows 2008 Server, OS/2, UNIX, Linux.

• управление устройствами компьютера (ресурсами), т.е. согласованная работа всех аппаратных средств ПК: стандартизованный доступ к периферийным устройствам, управление оперативной памятью и др.
• управление процессами, т.е. выполнение программ и их взаимодействие с устройствами компьютера.
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, компакт-диск и т.д.), как правило, с помощью файловой системы.
• ведение файловой структуры.
• пользовательский интерфейс, т.е. диалог с пользователем.

Основные принципы работы компьютера

Компьютер – это техническое средство преобразования информации, в основу работы которого заложены те же принципы обработки электрических сигналов, что и в любом электронном устройстве:

1. входная информация, представленная различными физическими процессами, как электрической, так и неэлектрической природы (буквами, цифрами, звуковыми сигналами и т.д.), преобразуется в электрический сигнал;
2. сигналы обрабатываются в блоке обработки;
3. с помощью преобразователя выходных сигналов обработанные сигналы преобразуются в неэлектрические сигналы (изображения на экране).

Назначение компьютера – обработка различного рода информации и представление ее в удобном для человека виде.

С позиции функционального назначения компьютер – это система, состоящая из 4-х основных устройств, выполняющих определенные функции: запоминающего устройства или памяти, которая разделяется на оперативную и постоянную, арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). Рассмотрим их роль и назначение.

Запоминающее устройство (память) предназначается для хранения информации и команд программы в ЭВМ. Информация, которая хранится в памяти, представляет собой закодированные с помощью 0 и 1 числа, символы, слова, команды, адреса и т.д.

Под записью числа в память понимают размещение этого числа в ячейке по указанному адресу и хранение его там до выборки по команде программы. Предыдущая информация, находившаяся в данной ячейке, перезаписывается. При программировании, например, на языке Паскаль или Си, адрес ячейки связан с именем переменной, которое представляется комбинацией букв и цифр, выбираемых программистом.

Под считыванием числа из памяти понимают выборку числа из ячейки с указанным адресом. При этом копия числа передается из памяти в требуемое устройство, а само число остается в ячейке.

Пересылка информации означает, что информация читается из одной ячейки и записывается в другую.

Адрес ячейки формируется в устройстве управления (УУ), затем поступает в устройство выборки адреса, которое открывает информационный канал и подключает нужную ячейку.

Числа, символы, команды хранятся в памяти на равноправных началах и имеют один и тот же формат. Ни для памяти, ни для самого компьютера не имеет значения тип данных. Типы различаются только при обработке данных программой. Длину, или разрядность, ячейки определяет количество двоичных разрядов (битов). Каждый бит может содержать 1 или 0. В современных компьютерах длина ячейки кратна 8 битам и измеряется в байтах. Минимальная длина ячейки, для которой можно сформировать адрес, равна 1 байту, состоящему из 8 бит.

Для характеристики памяти используются следующие параметры:

1. емкость памяти – максимальное количество хранимой информации в байтах;
2. быстродействие памяти – время обращения к памяти, определяемое временем считывания или временем записи информации.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Производит арифметические и логические действия.

Следует отметить, что любую арифметическую операцию можно реализовать с использованием операции сложения.

Сложная логическая задача раскладывается на более простые задачи, где достаточно анализировать только два уровня: ДА и НЕТ.

Устройство управления (УУ) управляет всем ходом вычислительного и логического процесса в компьютере, т.е. выполняет функции «регулировщика движения» информации. УУ читает команду, расшифровывает ее и подключает необходимые цепи для ее выполнения. Считывание следующей команды происходит автоматически.

Фактически УУ выполняет следующий цикл действий:

1. формирование адреса очередной команды;
2. чтение команды из памяти и ее расшифровка;
3. выполнение команды.

В современных компьютерах функции УУ и АЛУ выполняет одно устройство, называемое центральным процессором.

Основные принципы построения современных компьютерных систем

Орлов, Е. В. Основные принципы построения современных компьютерных систем / Е. В. Орлов. — Текст : непосредственный // Технические науки: проблемы и перспективы : материалы II Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, апрель 2014 г.). — Т. 0. — Санкт-Петербург : Заневская площадь, 2014. — С. 10-12. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/89/5447/ (дата обращения: 13.04.2022).

Компьютерная система включает в себя вычислительные машины, программное обеспечение и периферийные устройства, выполняющие обработку данных.

Стоит упомянуть о различиях понятий «вычислительная машина» и «компьютерная система». Понятие вычислительная машина значительно уже и включает в себя технические средства, достаточные для проведения обработки данных и получения результатов в определенной форме. В состав вычислительной машины входит системное программное обеспечение.

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Предназначение архитектуры определять основные правила для обеспечения взаимодействия элементов компьютерной системы.

Безусловно, в основе современной архитектуры компьютерных систем лежат все те же основные принципы принстонской архитектуры: программного управления, однородности памяти и произвольного доступа к памяти, хотя реальная структура значительно сложнее. Можно утверждать, что в последнее время для обеспечения потребности пользователей и разработчиков в повышении качества и производительности систем в целом происходит отстранение от архитектуры фон-Неймана.

Выделим факторы, влияющие на современную архитектуру компьютерной системы

— набор команд, воспринимаемых компьютером;

— быстродействие центрального процессора;

— количество периферийных устройств подключаемых к вычислительной машине одновременно;

— количество входящих в систему компьютеров и обеспечение быстродействия совместной работы.

Стремление разработчиков учесть эти и другие факторы позволяет усовершенствовать архитектуру компьютерных систем. Рассмотрим некоторых современные принципы построения архитектуры.

Принцип открытой архитектуры. Данный принцип изначально был внедрен в миниЭВМ третьего поколения американской фирмы DEC еще в 70-х годах. Впоследствии он получил широкое распространение в компьютерах фирмы IBM тем самым обеспечив успех компьютеров IBM PC. Принцип заключается в возможности подключения устройств и программ различных производителей в одной системе.

Принцип многопроцессорной архитектуры. Основан на совместной работе нескольких процессоров одновременно, что значительно увеличивает производительность компьютера. Количество процессоров используемых в системе зависит от мощности вычислительных машин, а так же решаемых ими задач и может варьироваться от двух-четырех до нескольких десятков.

Изначально данный принцип применялся в основном в научной среде для решения инженерных расчетов, систем автоматического проектирования, решения задач в глобальном масштабе и режиме реального времени атомной энергетики, метеорологии, структурной биологии, генетики, распознавания речи и изображений и других областях, и использовался лишь на суперкомпьютерах. В настоящее время из-за существенного роста бизнеса, необходимости использования корпоративных систем и совместной работы, обработки большого объема информациии необходимостью отсутствия сбоев и простоя в работе, данный принцип архитектуры стал применяться и в таких сферах как обработка транзакций в режиме реального времени, создание хранилищ данных для организации систем поддержки принятия решений.

К типам многопроцессорных систем относятся системы высокой надежности, системы для высокопроизводительных вычислений и многопоточные системы.

Принято выделять несколько архитектур многопроцессорных систем.

— SMP (Symmetric Multi-Processing) — симметричная многопроцессорная обработка, где два или более одинаковых процессора подключены к одной общей оперативной памяти, имеют полный доступ ко всем устройствам ввода / вывода, и управляются с помощью одного экземпляра ОС, в котором все процессоры имеют равные права. Наиболее распространенные многопроцессорные системы сегодня используют именно эту архитектуру.

— MPP (Massively Parallel Processing) — использует множество отдельных процессоров которые параллельно выполняют одну программу. MPP похожа на SMP, основное отличие в том, что в системах SMP все процессоры имеют равноправный доступ к памяти, тогда как в MPP, каждый процессор имеет доступ к определенным разделам памяти, причем в рамках этих разделов могут работать различные операционные системы. MPP системы называют системами массовой параллельной обработки. Они используются в научной сфере, и в крупном бизнесе.

— NUMA (Non-Uniform Memory Access) — время доступа к памяти зависит от объема памяти самого процессора. Процессор получает доступ к своей локальной памяти быстрее, т. к. имеет к ней прямой доступ, минуя системную шину, другие же процессоры обращаются к ней через шину. Архитектура NUMA называется неоднородной, потому что доступ к памяти быстрее, когда процессор обращается к своей собственной памяти, чем когда он заимствует информацию из памяти другого процессора. NUMA компьютеры обладают масштабируемостью из MPP и простотой программирования SMP. Принципы доступа к памяти данной архитектуры встречаются в различных Unix-подобных операционных системах.

Принцип многоуровневой памяти. Память компьютерных систем, как и любой вычислительной машины находится в постоянном внимании со стороны пользователей и разработчиков, так как скорость работы компьютера напрямую связанна с быстродействием оперативной памяти. Неприемлемость с экономической точки зрения быстродействующей энергозависимой памяти привело к созданию этого принципа. Принцип состоит в организации работы памяти по определенным уровням. Для оперативной памяти основная часть имеет большую емкость состоит из мелких и достаточно дешёвых элементов, а дополнительная память или кэш-память состоит из меньших по емкости быстродействующих элементов. Данные постоянно необходимые для обращения процессора хранятся в быстродействующей кэш-памяти, а оперативная информация достаточно больших объемов в основной памяти.

Принцип прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) позволяет некоторым аппаратным подсистемам получить доступ к памяти, без участия центрального процессора. Предназначен в основном для устройств, обменивающихся большими блоками данных с оперативной памятью, обмена данными между внешним устройством. Инициатором обмена всегда выступает внешнее устройство, процессор инициализирует контроллер DMA, и далее обмен выполняется под управлением контроллера, процессор в это время может продолжать работу. DMA также могут быть использованы для копирования или перемещения данных в самой памяти.

Принцип коллективной работы. Данный принцип позволяет правильно и четко сформировать работу коллективов направленную на совместную деятельность посредством компьютерной системы, а именно дает возможность осуществлять совместные действия с целью достижения поставленных задач, например подготавливать отчеты по реализации проектов, разрабатывать программные продукты, принимать решения и многое другое связанное с одновременной работай коллектива. Реализация принципа коллективной работы стало предпосылкой появление такого рода деятельности как удаленная работа или дистанционная трудовая деятельность.

В заключении стоит упомянуть еще два принципа, которые начали внедряться в архитектуру современных компьютерных систем в последние годы, применяемые частично в суперкомпьютерах, а возможно и представляющие им конкуренцию.

Принцип облачных решений. Определенный подход к размещению, предоставлению и потреблению приложений и компьютерных ресурсов, прикотором приложения и ресурсы становятся доступны через Интернет в виде сервисов, потребляемых на различных платформах и устройствах. Особенности: мгновенная готовность к работе, неограниченная емкость ресурсов, большой выбор ПО, виртуализация, высокая способность к масштабированию.

Принцип ориентированности на данные или компьютерные системы DIC (Data-Intensive Computing). DIC является классом параллельных вычислений приложений, использующих данные параллельного подхода к обработке больших объемов данных. Общая схема работы DIC разделяется на три фазы: сбор данных, извлечение информации из них и перевод информации в форму, удобную для восприятия человеком.

Текущая ситуация развития архитектуры компьютерных систем далеко ушла от изначальной, предложенной Фон-Нейманом, и на первый план выходят представленные принципы. Безусловно, некоторые из описанных принципов проходят лишь начальные стадии внедрения и апробации в работе, а какие-то, получив новое название, продолжают свое существование. Итак, современная компьютерная система представляет собой компьютеры со множеством параллельно работающих процессоров, с многоуровневой памятью, предусматривающей прямой доступ к многочисленным подключаемым устройствам, работа которых позволяет принимать решения, обрабатывать большие объемы данных, строить базы знаний, грамотно строить совместную, в том числе и удаленную, работу группы людей.

1. Орлов С. А., Цилькер Б. Я. Организация ЭВМ и систем. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.

2. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. / А. В. Богданов, В. В. Корхов, В. В. Мареев, Е. Н. Станкова / — М.: ИНТУИТ.РУ «Интернет-Университет Информационных Технологий», 2004. — 176 с.

3. Черняк Л. Суперкомпьютеры, смена эпох. — Computerworld Россия. — 2013. — N25

4. Мешалкин В. Многопроцессорные системы. –http://proitclub.ru/2009/06/22/

5. Построение систем сбора и обработки информации. Электронное справочное пособие. Сост. В. Г. Тышкевич, Н. С. Винник — http://dozen.mephi.ru:8100/study/pc/index.htm

Основные термины (генерируются автоматически): MPP, SMP, система, DIC, DMA, NUMA, принцип, процессор, вычислительная машина, компьютерная система.

Принцип работы вычислительной системы

Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. Вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.

Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы).

В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов.

К таким ЦУ относятся: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, арифметико-логические устройства, логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и др.).

Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, но и от предшествующего состояния ЦУ.

Эти элементы обладают памятью.

К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счетчики, регистры.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд.

Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:

1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера, их назначение и взаимосвязь.

Функциональная схема компьютера– это некоторая абстрактная модель, которая описывает сервисные возможности вычислительной машины, которые удовлетворяют потребностям пользователя для решения его профессиональных задач.

Все основные компоненты персонального компьютера находятся внутри системного блока, который, как правило, вмещает в себя следующие узлы:

· электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, память, системная шина и др.);

· накопители на жестких и гибких магнитных дисках, на оптических дисках (CD-ROM);

· блок питания, преобразующий переменное напряжение сети в низкое постоянное напряжение, необходимое для работы электронных схем;

· система вентиляции, обеспечивающая необходимый режим для микропроцессора и других электронных узлов компьютера;

· дополнительные узлы: дисковод для компакт-дисков, звуковая карта, внутренний модем и т.д.

Лицевая панель системного блока выполнена в виде набора кнопок управления, карманов и площадок для ввода внешних устройств памяти:

· кнопка Powerвыполняет роль сетевого выключателя;

· кнопка Resetобеспечивает перезагрузку (повторный запуск) компьютера.

Оборудование, которое расположено вне системного блока, относится к внешним устройствам ввода-вывода, которое называют периферийными устройствами. Однако к периферийным устройствам можно отнести и некоторые устройства внутри самого системного блока (это все типы накопителей).

К основным принципам функционирования компьютеров относят:

· магистрально-модульный принцип их построения;

· принцип числового кодирования данных: информация любого вида в памяти вычислительных машин подается с помощью числовых кодов;

· программный (командный) принцип руководства работой компьютера: все его функциональные возможности реализуются путем выполнения соответствующих программ;

· принцип произвольного доступа (принцип адресности) и сохранности программы.

19. Папки и файлы (тип файла, имя файла). Файловая система. Основные операции с файлами в операционной системе.

Ядром операционной системы является модуль, который обеспечивает управление файлами — файловая система.

Основная задача файловой системы— обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода (различных накопителей). Она также определяет структуру хранения файлов и каталогов на диске, правила задания имен файлов, допустимые атрибуты файлов, права доступа и др.

Обычно файловую систему воспринимают и как средство управления файлами, и как общее хранилище файлов.

Файл— это поименованная последовательность любых данных, стандартная структура которой обеспечивает ее размещение в памяти машины. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, закодированное изображение или звук и др. Для каждого файла на диске выделяется поименованная область, причем файл не требует для своего размещения непрерывное пространство, так как может занимать свободные кластеры в разных частях диска.

Имя файла— это символьная строка, правила построения которой зависят от конкретной файловой системы. Максимальная длина имени файла в Windows составляет 255 символов. Имена могут содержать любые символы, включая пробелы, кроме следующих: прямой и обратный слэш ( и /), двоеточие (:), звездочка (*), знак вопроса (?), двойная кавычка («), знаков меньше и больше (< и >), знака «трубопровода» (|). Система сохраняет использованные в длинных именах строчные буквы.

Помимо имени, файл имеет расширение (тип)длиной до 3 символов, которое отделяется от имени точкой. К свойствам файла также относятся: реальный размер и объем занимаемого дискового пространства; время создания, последнего изменения и доступа; имя создателя файла; пароль для доступа, атрибуты и др.

Файл может иметь следующие атрибуты:

R (Read-Only) — «только для чтения».При попытке модифицировать или удалить файл с этим атрибутом будет выдано соответствующее сообщение.

H (Hidden) — «скрытый файл».При просмотре содержимого папки (без специальных установок или ключа) сведения о файлах с таким атрибутом не выдаются.

A (Archive) — «неархивированный файл».Этот атрибут устанавливается при создании каждого файла и снимается средствами архивации и резервирования файлов.

Для удобства работы с файлами и их систематизации на диске создаются папки (каталоги), структура которых определяет логическую организацию данных.

Папка (каталог)— это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, сведения об их размерах, времени последнего обновления и т.д. Имена папок образуются по тем же правилам, что и имена файлов.

Структура папок в Windows иерархическая (древовидная). Папка самого верхнего уровня — главная (корневая) — создается автоматически и не имеет имени. В ней находятся сведения не только файлов, но и о папках первого уровня (папки первого и последующих уровней создаются пользователем). Папка, с которой в данный момент работает пользователь, называется текущей.

С папками и файлами могут выполняться операции создания, удаления, копирования и перемещения, а также изменение их свойств и управление доступом.

Физическая организация данных на носителе зависит от файловой системы, которая предусматривает выделение в процессе форматирования диска специальных областей: системной областииобластиданных. Основными компонентами системной области являются: загрузочная запись, таблицы размещения файлов и корневой каталог (папка). Область данных содержит файлы и папки.

Вся область данных диска делится на кластеры, которые представляют собой неделимые блоки данных одного размера на диске. Все кластеры пронумерованы. В самом начале диска размещается таблица размещения файлов, содержащая столько записей, сколько кластеров доступно на диске. В ней содержатся сведения о номерах кластеров, в которых размещается файл, отмечены неиспользуемые кластеры, а также поврежденные кластеры, которые помечаются определенным значением, после чего уже никогда не употребляются.

Каждый кластер файла содержит номер следующего в цепочке его кластеров. Таким образом, достаточно знать номер первого кластера в цепочке, который хранится в оглавлении диска, чтобы определить номера всех кластеров, содержащих данный файл. Занимаемый файлом объем кратен количеству кластеров. Наличие у каждого кластера индивидуального номера позволяет найти область расположения файла, причем необязательно, чтобы его кластеры располагались рядом. Если разные фрагменты файла располагаются в несмежных кластерах, то говорят о фрагментациифайла.

Каждый диск на компьютере имеет уникальное имя. Диски именуются буквами латинского алфавита. Обычно накопителю на гибком магнитном диске (НГМД) присваивается имя А:, а винчестеру (НЖМД) — С:.

Жесткий диск представляет собой физическое устройство. Для организации эффективной работы с дисковым пространством жесткого магнитного диска с помощью специальной программы его разбивают на ряд разделов — логических дисков, каждый из которых рассматривается системой как отдельный диск и именуется последующими буквами латинского алфавита (D, E и т.д.).

Windows XP позволяет форматировать жесткий диск в файловой системе FAT или NTFS.

Система FAT (File Allocation Table) — представляет собой таблицу размещения файлов MS-DOS и Windows 9x и Me, поэтому понимается этими ОС. Но она имеет низкую отказоустойчивость, и при аварийном отключении питания велика вероятность потери данных.

Система NTFS (New Technology File System) — была разработана Microsoft специально для Windows NT. Она гарантирует сохранность данных в случае копирования даже при программно-аппаратном сбое или отключении электропитания, превосходит FAT по эффективности использования ресурсов (например, работает с файлами размером более 4 Гб), предоставляет возможность создавать «динамические» жесткие диски, объединяющие несколько папок, предоставляет средства для разграничения доступа и защиты информации и др.

Перевод логического диска из FAT в NTFS осуществляется штатной программой Windows или специальными программами без потери информации. Также существуют специальные программы, которые могут производить конвертацию из NTFS в FAT, однако в большинстве случаев такой перевод требует форматирования диска.

На диске может храниться огромное количество разнообразных файлов. Для удобства работы с файлами, их систематизации по назначению, содержанию, авторству или другим признакам на диске создаются каталоги, структура которых определяетлогическую организацию данных. Каталог — это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, сведения об их размерах, времени последнего обновления, свойствах и т.д. Каталог самого верхнего уровня —корневой (главный) каталог диска создается автоматически и не имеет имени. В нем находятся имена не только файлов, но и подкаталогов первого уровня (каталоги первого и последующих уровней создаются пользователем). Подкаталог первого уровня может содержать имена файлов и подкаталогов второго уровня и т.д. Каталог, с которым в данный момент работает пользователь, называетсятекущим.

Имена файлов и их атрибуты хранятся в каталоге. Если в каталоге хранится имя файла, то говорят, что этот файл находится в данном каталоге. Обращение к каталогу, если он не корневой, осуществляется по имени 3 .

На каждом диске может быть несколько каталогов. В каждом каталоге могут присутствовать файлы и другие каталоги. В зависимости от файловой системы структура каталогов может быть древовидной, когда каталог может входить только в один каталог более высокого уровня (рис. 3.2, а), и сетевой, когда каталог может входить в различные каталоги (рис. 3.2,6). Сетевая структура реализована вUnix, древовидная — в ОС семействаWindows.

Рис. 3.2. Структура каталога: а — древовидная; б — сетевая

В Windows каталог называется папкой. С папками (каталогами) и файлами могут выполняться операции создания, удаления, копирования и перемещения, а также изменение их свойств и управление доступом.