Состав персонального компьютера

 

Рассмотрим состав персонального компьютера, построенного на основе принципа открытой архитектуры.

 

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем.

Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия расширительных внутренних гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс.

 

Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа – адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно как на рис. 1.1.1-4.

 

Рис. 1.1-4.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

 

Порты устройствпредставляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

 

Последовательный портобменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный портполучает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства – принтер и сканер. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам.

 

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру компьютера, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DaughterBoard – дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения,называемых также слотами расширения.

 

Конструктивно современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонент:

· системного блока;

· монитора;

· клавиатуры;

· манипуляторов.

 

В системном блоке обычно размещаются: блок питания; накопитель на жёстких магнитных дисках; накопитель на гибких магнитных дисках; системная плата; платы расширения; накопитель CD-ROM и др.

 

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower) компоновку.

 

Системная плата (материнская плата) является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера: центральный процессор; постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память; интерфейсные схемы шин; гнёзда расширения; обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем. Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

 

Часто Системное ПО компьютера подразделяют на БАЗОВОЕ и СЕРВИСНОЕ программное обеспечение.

БАЗОВОЕ программное обеспечение (base software) - минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

К базовому программному обеспечению компьютера относятся

· операционные системы и драйверы в составе ОС;

· интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС (операционные оболочки) и программные среды;

· системы управления файлами.

 

Операционная система - совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

 

Системы управления файлами предназначены для организации более удобного доступа к данным, организованным как файлы.

Вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов система управления файлами позволяет использовать логический доступ с указанием имени файла.

Любая система управления файлами не существует сама по себе - она разработана для работы в конкретной ОС и с конкретной файловой системой. То есть можно было бы систему управления файлами отнести к ОС.

Но в связи с тем, что

1) ряд ОС позволяет работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно); а дополнительную файловую систему можно установить (т.е. они самостоятельны)

2) простейшие ОС могут работать и без файловых систем;

системы управления файлами выделяются в отдельную группу системных программ.

Заметим, что часто в специальной литературе системы управления файлами относят все-таки к операционным системам.

 

СЕРВИСНОЕ программное обеспечение - программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя.

Это набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:

· драйверы специфических и специальных устройств (те, которые не поставляются в составе ОС).

· программы диагностики работоспособности компьютера;

· антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и восстановление зараженных файлов;

· программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физической уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование данных на внешних носителях и др.;

· программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;

· программы обслуживания сети.

 

Эти программы часто называются утилитами. (Заметим, что к антивирусным средствам этот термин обычно не применяется)

 

Утилиты - программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.).

 

 

С развитием компьютерных технологий были выделены наборы взаимосвязанных задач, которые требовалось решать в интересах определенных групп пользователей. Естественно было объединить прикладные программы связанных задач в комплекс программ, разработать такой комплекс централизованно и поставлять его отдельным пользователям и заинтересованным организациям. С конца 1960-х годов многофункциональные комплексы взаимосвязанных программ стали называть пакетами прикладных программ (ППП).

Формальной границы между прикладной программой и ППП нет, поскольку любой ППП можно рассматривать как прикладную программу. По мере разработки все большего числа прикладных программ появлялись и новые определения того, что следует понимать под пакетом программ.

Вместе с тем концепция ППП, переход от отдельных программ к пакетам - это переход к новому качеству прикладного программного обеспечения (ПО).

Рассмотрим концепцию ППП на примере программ для решения расчетных задач. Все многообразие прикладного ПО можно разделить на два больших класса: «расчетчики» и «анализаторы».

Расчетными будем называть задачи, в которых входные и выходные данные являются числовыми, решение задачи получается в результате применения математических методов. К расчетным задачам можно отнести выполнение расчетов по формулам, решение систем линейных и нелинейных уравнений, численное дифференцирование и интегрирование, определение экстремумов функций и т.п.

Исходные данные для решения расчетной задачи могут задаваться или все сразу в начале выполнения программы, или поступать порциями (записями, сообщениями).

Решение многих расчетных задач укладывается в типовую схему, включающую последовательные шаги ввода исходных данных, выполнения вычислений и вывода результатов. В ряде случаев решение расчетных задач сводится к последовательному применению нескольких алгоритмов (программ). Например, при решении систем обыкновенных дифференциальных уравнений может потребоваться сначала провести расчет начальных условий и коэффициентов уравнений, а затем вычислить обобщенные характеристики исследуемого процесса по заданным формулам.

Можно выделить несколько типовых подходов к организации применения ЭВМ для решения расчетных задач. Эти подходы, рассматриваемые в историческом плане, можно считать этапами развития ППП:

1. При возникновении потребности в решении конкретной задачи составляется и отлаживается программа или несколько последовательно выполняемых программ. Для программирования используется один из универсальных языков программирования (Basic, Pascal, Fortran, С, C++, Assembler и т.д.).

2. Заранее составляются подпрограммы реализации типовых шагов алгоритмов, например, для реализации методов численного анализа, преобразования форм представления данных и т.п. Такие готовые подпрограммы накапливаются в форме исходных или объектных модулей в библиотеке. При составлении прикладной программы в нее включаются обращения к библиотечным подпрограммам. Сами библиотечные подпрограммы присоединяются к прикладной программе в процессе трансляции (исходные модули) или при редактировании связей (объектные модули).

Библиотеку готовых подпрограмм уже можно рассматривать как ППП, используемый совместно с прикладной программой.

3. Для совокупности родственных задач разрабатывается ППП, охватывающий некоторую предметную область. Здесь ППП - это совокупность программных модулей, между которыми установлены связи по управлению и по данным в соответствии с решаемой прикладной задачей. Модули пакета могут объединяться в программы, а программы - использовать общие файлы данных. Для запуска программ пакета в нужной последовательности могут использоваться средства операционной системы. Для решения новой прикладной задачи нужно готовить соответствующие исходные данные и разрабатывать последовательность обращений к операционной системе (ОС) для выполнения программ пакета в требуемой последовательности.

4. Дальнейшим развитием ППП стало построение пакетов с собственным языком управления - входным языком пакета (ВЯ). От пользователя требуется составление описания задачи, которую требуется решить на ВЯ пакета и подготовка необходимых данных. Для запуска такого пакета обычно требуются минимальные сведения об используемой ОС.

Перечисленные выше четыре подхода к применению ЭВМ предполагают различную квалификацию пользователей.

Для реализации первого подхода требуется знание языка программирования, языка управления ОС и знание прикладной предметной области. То есть первый подход типичен для специалиста в области прикладного программирования.

Это в полной мере относится и ко второму подходу, где применение библиотек подпрограмм обеспечивает повышение производительности труда прикладного программиста.

В третьем подходе функции прикладного программиста и пользователя пакета разделены. Прикладной программист разрабатывает пакет программ, для чего обычно требуется более высокий уровень квалификации, чем для разработки отдельных программ. От пользователя пакета требуются знание правил применения пакета и квалификация в той предметной области, к которой относятся задачи, решаемые с применением пакета, а также ограниченные сведения об используемой ОС.

Четвертый подход требует от пользователя пакета еще меньшей квалификации в области программирования, для него достаточно изучить сравнительно несложный входной язык пакета.

В настоящее время термин «пакет прикладных программ» применяется к комплексам программ различной сложности и назначения. Отметим, что наряду с этим термином все чаще используются понятия программного приложения или информационно-вычислительной системы.

ППП - это совокупность совместимых программ для решения задач определенного класса. ППП всегда ориентируется на пользователей определенной квалификации, как в программировании, так и в области, к которой относятся задачи, решаемые с применением этого ППП.

Совместимость программ, составляющих ППП, означает возможность их взаимного использования, общность структуры управляющих данных и используемых информационных массивов. Кроме того, ППП следует рассматривать как самостоятельное программное изделие, как особый вид прикладного ПО.

Исходя из определения, можно выделить некоторые общие свойства ППП:

1. Пакет состоит из нескольких программных единиц.

2. Пакет предназначен для решения определенного класса задач, и в пределах своего класса обладает определенной универсальностью, т.е. позволяет решать большинство задач этого класса.

3. Пакет допускает настройку на конкретные условия применения, т.е. в пакете предусмотрены средства управления, позволяющие выбирать конкретные возможности из числа предусмотренных.

4. Пакет разработан с учетом возможности его использования за пределами той организации, в которой он создан, и удовлетворяет общим требованиям к программному изделию:

· соответствует существующим стандартам;

· снабжается пользовательской документацией;

· допускает возможность послепродажного обслуживания;

· имеет установленную цену;

· документация и способы применения пакета ориентированы на пользователя, имеющего определенный уровень квалификации в той области знаний, к которой относятся решаемые пакетом задачи.

Поскольку ППП предназначен для решения задач определенного класса, можно говорить о функциональном назначении пакета.

Классификация ППП

Классификация ППП по их функциональному назначению приведена на рис. 1

Рис. 1. Классификация пакетов прикладных программ

 

 

Отдельно вспомним о такой группе системного ПО как системы программирования.

Это набор специализированных программных продуктов, которые являются инструментальны средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все этапы процесса программирования, отладки и тестирования создаваемых программ.

Система программирования включает следующие программные компоненты:

· редактор текста;

· транслятор с соответствующего языка;

· компоновщик (редактор связей);

· отладчик;

· библиотеки подпрограмм.

 

Заметим, что любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.

Например, одна из популярных систем программирования на языке С/С++ от фирмы Watcom для OS/2 позволяет получать программы и для самой OS/2, и для DOS, и для Windows.

Редактор текста - это программа для ввода и модификации текста.

Трансляторы предназначены для преобразования программ, написанных на языках программирования, в программы на машинном языке. Программа, подготовленная на каком-либо языке программирования, называется исходным модулем. В качестве входной информации трансляторы применяют исходные модули и формируют в результате своей работы объектные модули, являющиеся входной информацией для редактора связей. Объектный модуль содержит текст программы на машинном языке и дополнительную информацию, обеспечивающую настройку модуля по месту его загрузки и объединение этого модуля с другими независимо оттранслированными модулями в единую программу.

 

Трансляторы делятся на два класса: компиляторы и интерпретаторы. Компиляторы переводят весь исходный модуль на машинный язык. Интерпретатор последовательно переводит на машинный язык и выполнят операторы исходного модуля

(У интерпретаторов два основных недостатка. Первый - низкая скорость работы интерпретируемых программ.)

Преимущество интерпретатора перед компилятором состоит в том, что программа пользователя имеет одно представление - в виде текста. При компиляции одна и та же программа имеет несколько представлений - в виде текста и в виде выполняемого файла.

 

Компоновщик, или редактор связей - системная обрабатывающая программа, редактирующая и объединяющая объектные (ранее оттраслированные) модули в единые загрузочные, готовые к выполнению программные модули. Загрузочный модуль может быть помещен ОС в основную память и выполнен.

 

Отладчик позволяет управлять процессом исполнения программы, является инструментом для поиска и исправления ошибок в программе. Базовый набор функций отладчика включает:

· пошаговое выполнение программы (режим трассировки) с отображением результатов,

· остановка в заранее определенных точках,

· возможность остановки в некотором месте программы при выполнении некоторого условия;

· изображение и изменение значений переменных.

 

Загрузчик -системная обрабатывающая программа, объединяющая основные функции редактора связей и программы выборки в одном пункте задания. Загрузчик помещает находящиеся в его входном наборе данных объектные и загрузочные модули в оперативную память, объединяет их в единую программу, корректирует перемещаемые адресные константы с учетом фактического адреса загрузки и передает управление в точку входа созданной программы.

Средства сетевого доступа обеспечивают обработку, передачу и хранение данных в сети.

Заметим, что чаще говорят о сетевых операционных системах, которые предоставляют пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.)

Ключом к использованию этих ресурсов является сервер, специальная программа на компьютере, подключенному к сети, которая принимает запросы (или команды) и посылает ответы автоматически.

Программы, предназначенные для подачи запросов серверу, называются программами-клиентами. Сервер предназначен для их обслуживания. Клиент посылает запросы пользователя на сервер, используя стандартизированный формат, называемый протоколом. Ответ сервера содержит информацию, представленную в виде файла, содержащего данные того или иного формата.

Постоянно ведется разработка все новых программ-клиентов, предлагающих более удобные способы взаимодействия с сервером.

Пример. Приложения Netscape Navigator , Internet Explorer - программы- клиенты.

 

Таким образом, в системном ПО мы выделилипять групп системных программ:

· операционные системы;

· интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС (операционная оболочка) и программные среды;

· системы управления файлами;

· системы программирования;

· утилиты;

· средства сетевого доступа.