Устройство и принципы работы компьютера. Архитектура фон Неймана.

При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:

● Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.

● Устройство управления — для организации процесса управления программ.

● Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.

● Внешние устройства — для ввода и вывода информации.

Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

Компьютерная информация хранится в электронном виде в различных запоминающих устройствах, которые называют компьютерной памятью. Для долговременного хранения информации используются постоянные носители компьютерной памяти, которые служат при вводе данных в компьютер и при выводе результатов его работы. Для хранения выполняемых в данный момент программ и промежуточных данных используется оперативная память компьютера, которая работает значительно быстрее постоянных носителей памяти.

В компьютерах используется двоичная система счисления, которая основана на двух цифрах,«0» и «1». Информация любого типа может быть закодирована с использованием двух цифр и помещена в оперативную или постоянную память компьютера. Использование двоичной системы счисления позволяет сделать устройство компьютера максимально простым. Впервые принцип двоичного счисления был сформулирован в 17 веке немецким математиком Готфридом Лейбницем.

Для обозначения двоичных цифр применяется термин бит — сокращение английского словосочетания «двоичная цифра» (binary digit — bit). Для передачи и хранения информации применяют восьмибитовые коды — байты (byte). Существует 256 восьмибитовых чисел. Этого достаточно для кодирования всех заглавных и строчных букв национальных алфавитов, цифр, знаков препинания, символов и служебных кодов, используемых при передаче информации.

Работа компьютера обеспечивается, с одной стороны, аппаратными устройствами, а с другой — программами. Аппаратное обеспечение включает в себя внутренние компоненты (прежде всего интегральные микросхемы, в том числе процессоры, а также системные и интерфейсные платы) и внешние устройства (мониторы, принтеры, модемы, акустические системы). Компьютерные программы подразделяются на три категории:

Прикладные программы, которые непосредственно выполняют необходимые пользователю компьютера работы (редактирование текстов, обработка информационных массивов, просмотр видео, пересылка сообщений).

Системные программы, особую роль среди которых играет операционная система — программа, управляющая компьютером, запускающая другие программы и выполняющая сервисные функции при работе компьютера. Другие сервисные программы обычно выполняют различные вспомогательные функции — создают резервные копии используемой информации, проверяют работоспособность устройств компьютеров.

Инструментальные программы (системы программирования), которые помогают создавать новые программы для компьютера.

Операционные системы. Их классификация, назначение, функции, состав.

Операционная система (ОС) - это набор программ, предназначенных управлять различными системами компьютера, организовывать интерфейс между пользователем и компьютером.:Виды ОС

Попробуем классифицировать ОС, опраясь на линию их развития вслед за IBM PC-совместимыми ПК.

Так как перые ПК были очень слабы, то и первые ОС были, что вполне естественно однозадачными и однопользовательскими, а также работали исключительно в текстовом режиме. Дальнейшее развитие графической подсистемы позволило более интенсивно использовать графику и цвет, таким образом выделим первый признак: внешний тип интерфейса: GUI или текстовый.

После появления микропроцессора i80286 и его расширенного режима стало возможным аппаратно изолировать области кода и данных разных программ друг от друга. Выделяем второй признак: многозадачность (или многопрограмность) ОС. В данном признаке можно выделить четыре типа:

1. однозадачные (MS-DOS);
2. псевдомногозадачные, то есть одновременно работает только одна программа, а мы переключаясь между ними как-бы пробуждаем другую и усыпляем первую (Windows 1 и 2);
3. многозадачные (Windows 95,98);
4. реально многозадачные (Windows NT, OS/2 3 и 4, Unix, Be, Linux).

Последние две группы различаются несколько условно: под реальной многозадачностью подразумевается, что система не позволяет никакой программе монополизировать ресурсы компьютера и, что самое важное, рабочее время микропроцессора, а также что ОС поддерживает возможность использования более одного микропроцессора.

С развитием сетей и внедрением ПК в офисы и дома частных пользователей потребовалась поддержка работы нескольких пользователей на одном компьютере. Выделим третий признак: является ли ОС многопользовательской. Тут также возможны варианты:

1. нет поддержки (MS-DOS, Windows 1-2-3);
2. поддерживается на одном терминале, хранятся различные профили для настройки системы под пользователя (Windows 95-98-Me-NT-2000);
3. реальная многопользовательность, то есть могут одновременно работать несколько человек на разных терминалах, но с одним ПК (Windows NT Terminal Server, Unix, Linux(?)).

Выделим еще одну группу ОС, для которых не очень важен интерфесй, а важны скоростные и надежностные характеристики работы - серверные ОС. Например, Windows NT Server, OS/2 Advanced Server, Novel Netware/IntranetWare, Banyan Wines.

Ну и последняя группа ОС - встраиваемые ОС. Сюда относятся ОС, которые встраиваются в различные устройства, например, сотовые телефоны, органайзеры и прочие микроэлектронные игрушки. Примером таких ОС можно наpвать: Palm OS, Windows CE.

Функции

Основные функции:

• Исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
• Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
• Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
• Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
• Обеспечение пользовательского интерфейса.
• Сохранение информации об ошибках системы.

6. интерфейс (определение, классификация интерфейсов).

 

Интерфейс — совокупность средств, методов и правил взаимодействия (управления, контроля и т. д.) между элементами системы. Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами (например, научившись работать с одной программой под Windows, пользователь с легкостью освоит и другие — потому, что они имеют одинаковый интерфейс).

пользовательский интерфейс — этонабор приемов взаимодействия пользователя с приложением компьютера.

Компания Microsoft впервые предложила единый пользовательский интерфейс GUI во всех приложениях Windows.

Хотя была поставлена цель создания единого пользовательского интерфейса, в каждом приложении остались свои особенности. Например, приложение MS Word имеет меню «Таблица», а приложение MS Excel — «Данные». Общие команды «Файл Þ Открыть» и «Правка Þ Найти» расположены во всех приложениях в одном и том же месте.

По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы.

Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после её утверждения, например нажатием клавиши ENTER. Для компьютеров платформы IBM PC интерфейс командной строки обеспечивается операционной системой MS-DOS.

Графические операционные системы (Windows, Unix, OS2 и др.) реализуют более сложный тип интерфейса (WIMP, SILK), в котором в качестве органа управления, кроме клавиатуры, может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши
— графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши.

В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и т.д.).