Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.pdf

Электронные компьютеры (computers), или компьютеры (от англ. Compute - вычислять, считать) - одно из самых удивительных творений человека. Самое простое устройство для облегчения счета появилось еще в глубокой древности, несколько тысяч лет назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно развивались, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-х годах XX века было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с логикой времени - современные электронные вычислительные машины. За исторически очень короткий период времени компьютеры-благодаря огромным достижениям в электронике-прошли долгий путь в своем техническом развитии, масштабах и влиянии на человеческое общество, с которым не может сравниться ни одно другое изобретение человека, включая атомную энергию и космическую технологию. И последние не смогли бы получить столь мощное развитие без использования компьютерных технологий.

Важную роль в развитии компьютерных технологий, обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Сохраняющийся интерес к микропроцессорам объясняется их такими свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительная вычислительная и функциональная ценность, что позволяет использовать их даже там, где использование цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.

В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов во многом зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях человеческой деятельности, он объединяет три составляющие: единство основных средств производства (компьютерной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека).

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем.

Состав компьютерной системы называется конфигурацией. Отдельно рассматриваются аппаратные и программные средства вычислительной техники. Соответственно, отдельно рассмотрим аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Этот принцип разделения имеет особое значение для информатики, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может быть обеспечено как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.

Обычно предполагается, что аппаратные решения в среднем стоят дороже, но реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

1.1 Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные системы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессора (CPU-Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешние, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для долговременного хранения данных.

Координация между отдельными компонентами и блоками может быть выполнена с переходом аппаратных и логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты аппаратных интерфейсов в вычислительной технике называются протоколами. Таким образом, протокол-это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Последовательный интерфейс передает данные последовательно, бит за битом, а параллельный интерфейс передает данные в группах битов одновременно. Количество битов, участвующих в одной передаче, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные интерфейсы, но обеспечивают лучшую производительность. Они используются там, где скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. д. производительность параллельных интерфейсов измеряется в байтах в секунду (байт/с; КБ / с; МБ / с).

Последовательные интерфейсы устройств проще; они обычно не нуждаются в синхронизации между передающими и принимающими устройствами (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами). Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была ниже, и эффективность была ниже. Из-за отсутствия синхронизации посылок полезная нагрузка предшествует и завершается служебными данными, то есть один байт полезной нагрузки может содержать 1-3 служебных бита (состав и структура посылки определяется конкретным протоколом).

Поскольку обмен данными через последовательные устройства не в байтах, а в битах, их производительность измеряется в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту преобразования последовательных единиц скорости передачи в параллельные единицы скорости передачи данных путем механического деления на 8, это преобразование не выполняется, поскольку оно не является корректным из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражается знаками в секунду или, что то же самое, символами в секунду (с/С), но это значение носит не технический, а опорный, потребительский характер.

Первоначально последовательные интерфейсы использовались для подключения "медленных" устройств (простые печатающие устройства низкого качества, устройства ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, датчики управления, низкоэффективные устройства связи и др.).), а также в случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными.

Однако с развитием технологий появляются новые, высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а зачастую и превосходящие их по пропускной способности. Сегодня последовательные интерфейсы используются для подключения любого типа устройств к компьютеру.

1.2 Программное обеспечение

Программы представляют собой упорядоченные последовательности команд. Конечной целью любой компьютерной программы является аппаратное управление. Даже если на первый взгляд программа не взаимодействует с аппаратными средствами, не требует никакого ввода от устройств ввода и не выводит данные на устройства вывода, она все равно основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что мы рассматриваем эти две категории раздельно, мы не должны забывать, что между ними существует диалектическая связь и их раздельное рассмотрение хотя бы условно.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называется конфигурацией программного обеспечения. Существует взаимосвязь между программами, а также между физическими узлами и блоками — многие программы работают на базе других программ более низкого уровня, то есть можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную структуру. Каждый следующий уровень основан на программном обеспечении предварительного марша уровней. Такое разделение удобно для всех этапов расчетную системы, от установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания. Обратите внимание, что каждый вышележащий слой повышает функциональность всей системы. Например, компьютерная система с базовым уровнем программного обеспечения не способна выполнять большинство функций, но позволяет устанавливать системное программное обеспечение.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Он отвечает за взаимодействие с аппаратным обеспечением. Как правило, основное программное обеспечение непосредственно "входит в базовое оборудование" и хранится в специальном чипе, называемом постоянным запоминающим устройством (ROM — Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются ("вспышка") в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время работы.

В тех случаях, когда изменение базового программного обеспечения во время работы технически возможно, вместо микросхем ПЗУ используют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ — стираемая и программируемая память только для чтения, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программистов.

Системный уровень. Переход на системный уровень. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют "посреднические" функции.

От программного обеспечения такого уровня во многом зависит производительность всей компьютерной системы в целом. Например, когда новое оборудование подключено к компьютерной системе, на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая связь с этим оборудованием для другого программного обеспечения. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в систему на уровне программного обеспечения. Другой класс программного обеспечения системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им, что он способен вводить данные в компьютерную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме. Эти инструменты называются инструментами пользовательского интерфейса. Они напрямую влияют на удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте. Набор программного обеспечения системного уровня формирует ядро операционной системы компьютера. Полную концепцию операционной системы мы рассмотрим чуть позже, но здесь лишь отметим, что если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже готов устанавливать программы более высокого уровня, взаимодействовать с аппаратным обеспечением и, самое главное, взаимодействовать с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Уровень обслуживания. Программное обеспечение на этом уровне взаимодействует как с базовыми, так и с системными программами. Основное назначение утилит (также называемых утилитами) заключается в автоматизации проверки, настройки и конфигурирования компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально входит в состав операционной системы, но большинство утилит для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

В области развития и эксплуатации сервисных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае, они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением. Прикладной уровень. Прикладное программное обеспечение представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном месте выполняется конкретная задача. Круг этих задач весьма широк: от производственных до творческих и развлекательно-обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием приложений для различных видов деятельности.

Поскольку существует прямая связь между прикладным программным обеспечением и системным программным обеспечением (первое основано на втором), можно утверждать, что универсальность компьютерной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как оно обеспечивает взаимодействие человеко — программно — аппаратного триединого комплекса.