Контрольные вопросы для самоподготовки студентов
Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по принципу действия?
Перечислите элементные базы, на основе которых строились компьютеры с 1-го по 4- е поколения.
В чем заключаются принципы Джона фон Неймана?
Когда появился первый персональный компьютер компании IBM? Какой процессор был в нем установлен? Кто разработал программное обеспечение для него?
Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по назначению.
Дайте общую характеристику и определите область использования мэйн– фреймов.
К какому классу микрокомпьютеров относятся рабочие станции и серверы?
К какому классу микрокомпьютеров относятся персональные компьютеры?
Какими качествами обладают персональные компьютеры?
Какие персональные компьютеры каких фирм вы знаете?
Перечислите виды ПК.
Дайте характеристику ноутбуков. Виды ноутбуков.
Дайте характеристику планшетных ПК.
Дайте характеристику карманных ПК.
Тенденции развития компьютерной техники.
Особенность молекулярных компьютеров.
Особенность биокомпьютеров.
Особенность оптических компьютеров
Особенность квантовых компьютеров.
Ссылки на литературные источники, приведенные в рабочей программе дисциплины
Информатика. Базовый курс. 2-е издание/Под. Ред. С.В. Симоновича. - СПб.:Питер, 2008.-640 с.
Информатика: учебн.пособие для студ.высш.пед.завед-й/А.В. Могилев, Е.К. Хеннер, Н.И. Пак; под ред. А.В. Могилева. –М.: Изд.Центр «Академия», 2006.-336 с.
Пестриков В.М., Петров Г.А., Подобед Д.Г. Информатика. Персональные компьютеры: учебное пособие. - СПб.: СПбГТУРП, 2011. - 100 с.(электронный ресурс) режим доступа http://window.edu.ru/resource/161/76161/files/infopc.pdf
Лекция №14 Тема «Программное обеспечение компьютеров»
План лекции
Понятие и классификация программного обеспечения.
Системное программное обеспечение.
Операционная система ПК.
Драйверы.
Утилиты.
Совокупность программ и сопровождающей их документации, предназначенная для решения задач на ЭВМ, называется программнымобеспечением (ПО или software). Программное обеспечение делится на системное и прикладное.
ПО, необходимое для управления компьютером, для создания и поддержки выполнения других программ пользователя, а также для предоставления пользователю набора всевозможных услуг, называется системным (systemsoftware).
Прикладные программы – это программы, обеспечивающие выполнение задач пользователя в конкретной области.
Системное ПО
Системное ПО можно классифицировать следующим образом:
Операционные системы (ОС) - обязательная и самая важная часть СПО, обеспечивающая эффективное функционирование ПК в различных режимах, организующая выполнение программ и взаимодействие пользователя и внешних устройств с компьютером(загружается в ОЗУ с жесткого диска после включения компьютера и выполнения базовых программBIOS);
Сервисные системы:
операционные оболочки – интерфейсные системы, которые используются для создания графических интерфейсов (в настоящее время, когда операционные системы обладают высокоразвитым графическим интерфейсом и имеютвстроенные средства для выполнения системных операций, наличие операционных оболочек– скорее дань традиции, чем необходимость);
драйверы(программы, предназначенные для управления периферийными устройствами);
утилиты(вспомогательные или служебные программы, которые представляют пользователю ряд дополнительных услуг);
Программно-инструментальные средства.
Системы технического обслуживания – ПО, облегчающее диагностику, тестирование оборудования и поиск неисправностей в ПК.
Операционная система ПК
Операционная система (OS – operatingsystem)представляет собой комплекс системных и служебных программ, обеспечивающих управление всеми ресурсами компьютера и подключенными к нему устройствами, запуск прикладных программ, их взаимодействие между собой и с аппаратными средствами, а также диалог компьютера с пользователем. Операционная система автоматизирует процесс решения задач пользователя и освобождает его от деталей взаимодействия с аппаратурой, обеспечивая комфортный интерфейс с компьютером.
В компьютерах используются операционные системы с различной архитектурой и функциональными возможностями. После включения компьютера первой загружается в оперативную память операционная система.
С 1990-х гг. наиболее распространенными ОС для ПК и серверов являются ОС семейства MicrosoftWindows и системы семейства UNIX, особенно GNU/Linux. ОС включает следующие основные модули:
ядро, выполняющее перевод с программного языка на язык компьютера, т.е. в двоичные коды и называемое командным интерпретатором;
драйверы для управления устройствами компьютера, библиотеки, которые используются ОС, и другие программы, входящие в ее состав. Драйверы для многих стандартных устройств компьютера формируют базовую систему ввода-вывода (BIOS), которая хранится в энергонезависимой флэш-памяти;
интерфейсные модули для взаимодействия пользователя с компьютером. Сегодня основным является графический интерфейс, используемый практически любой ОС. Процессор командного языка обрабатывает команды, поступающие в операционную систему от пользователя;
ОС компьютеров общего назначения, в отличие от специализированных, хранится на дисках, и при включении компьютера она загружается с диска в оперативную память специальной программой загрузки, хранящейся в базовой системе ввода – вывода.
Основными функциями операционной системы являются следующие:
обеспечение взаимодействия с пользователем – пользовательский интерфейс;
загрузка программ в оперативную память и управление процессом их выполнения;
управление файловой системой и диспетчирование задач, выполняемых на компьютере;
управление обменом информацией между различными устройствами компьютера, управление периферийными устройствами, распределение ресурсов компьютера, управление виртуальной памятью (распределение задач);
стандартизированный доступ к периферийным устройствам ввода – вывода;
установка и удаление программ.
Все ОС обеспечивают как пакетный, так и диалоговый режим работы с пользователем.В пакетном режиме ОС автоматически исполняет заданную последовательность команд.
Суть диалогового режима состоит в том, что ОС находится в ожидании команды пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и ждет очередной команды. Диалоговый режим работы основан на использовании прерываний процессора и прерываний BIOS. Опираясь на эти аппаратные прерывания, ОС создает свой комплекс системных прерываний.
Способность ОС прервать текущую работу и отреагировать на события, вызванные пользователем с помощью управляющих устройств, воспринимается нами как диалоговый режим работы.
Операционные системы можно классифицировать по следующим признакам:
В зависимости от особенностей алгоритма управления процессором операционные системы делятся на однозадачные и многозадачные,однопользовательские и многопользовательские, на однопроцессорные и многопроцессорные.
Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы делятся на два класса:
однозадачные (например, MS DOS);
многозадачные (OS/2, Unix, ОС семейства Windows).
Многозадачные ОС управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства (рис. 25).
Рис. 25Классификация многозадачных ОС
В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:
системы пакетной обработки(OC EC)
системы с разделением времени(Unix, Windows, Linux);
системы реального времени(QNX, RT–11, Android – ОС РВ на основеLinux для мобильных устройств).
Системы пакетной обработки – без непосредственного доступа пользователя, а с предварительным сбором и формированием всего блока (пакета) программ, подлежащих выполнению.
Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработкиявляется максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммном множестве желательно одновременноеприсутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом–выводом.
Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутреннейситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается«выгодное» задание.
Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того илииного задания в течение определенного периода времени. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установленасистема пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдаетего диспетчеру–оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективностьработы пользователя.
Первые ОС были системами пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.
В системах с разделением времени каждой задаче выделяется небольшойквант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, ивремя ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то это предполагает параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы. Ясно, что подобныесистемы обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетнойобработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая«выгодна» системе. Критерием эффективности систем с разделением времени является не максимальная пропускная способность процессора, а эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.
Системы реального времени(ОС РВ) применяются для управления различными техническими объектами(таким, как станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами(гальваническаялиния, доменный процесс и т. п.). Применяют ОС РВ и в банковском деле. Критерием эффективности для систем реального времени является их способностьвыдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программыи получением результата(управляющего воздействия). Это время называетсявременем реакции системы, а соответствующее свойство системы– реактивностью.
Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть– в режиме реального времени или в режиме разделениявремени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновымрежимом.
Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременноработающих пользователей ОС могут быть разделены на:
однопользовательские(MS DOS, Windows 3.x, ранние версииOS/2);
многопользовательские(Unix, Windows NT).
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя отнесанкционированного доступа других пользователей. Не всякая многозадачнаясистема является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОСявляется однозадачной.
Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС являетсяотсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки. В наши дни становиться общепринятым введение в ОС функций поддержкимногопроцессорной обработки данных.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализованаи использует все количество процессоров, разделяя их между системными иприкладными задачами.
Мы рассмотрели характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов– процессором.
На свойства операционной системы непосредственное влияние оказываютаппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персональногокомпьютера.
Одним из важных признаков классификации ОС является поддержка сетевых возможностей. По этому признаку ОС делятся на сетевые и локальные.
Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютера, объединённых в сеть с целью совместимого использования данных. Они представляютмощное средство разграничения доступа к информации, ее целостности и сохранности, а также другие возможности использования сетевых ресурсов. Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. В сетевой ОС отдельной машины можно выделить несколько частей:
средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между планированием и диспетчеризациейпроцессов, управление процессорами в многопроцессорных машинах, управление периферийными устройствами и другие функции управления ресурсамилокальных ОС;
средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование– серверная часть ОС(сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; введение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных;
управлениеочередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам;
средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование– клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передаетсяв сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентскаячасть также осуществляет прием ответов от сервера и преобразования их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленныхзапросов не различимо;
коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизациюсообщения, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т. п., т. е. является средством транспортировки сообщений.
В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в егоОС может отсутствовать либо клиентская, либо серверная часть.
Примерами сетевых ОС являются операционные системы семействаNetWare фирмыNovell (Novell – это крупнейшая фирма, которой принадлежит, согласно различным источникам, от65% до75% рынка сетевых операционных систем для локальных вычислительных сетей), ОС Windows NT фирмыMicrosoft, различные версии операционной системы UNIX.
По типу организации интерфейса ОС делятся на ОС:
с командным интерфейсом– пользователь должен хорошо знатьфайловую систему и команды операционной системы и вводить их с клавиатуры в командную строку, имеющуюся на экране монитора(MS DOS, UNIX, Linux);
с интерфейсом в виде графических меню– пользователь долженориентироваться в многочисленных меню и панелях инструментов и уметьвыбрать в этих меню нужные команды и файлы по условным графическимзначкам; интерфейс этого типа реализуется операционными системами сграфическим интерфейсом(Windows, начиная с 9x и выше).
Драйверы
C ПК могут сопрягаться разнообразные устройства: видеокарта, звуковаякарта, принтер, сканер, манипуляторы, дисководы, цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и т. д. Каждое из устройств имеет свой набор команд. Чтобы конкретная операционная система могла управлять конкретнымустройством, прибегают к помощи программ-«переводчиков», знающих с одной стороны язык команд конкретного устройства, а с другой – язык конкретной операционной системы, под управлением которой должно работать этоустройство.
Такая программа называется драйвером(driver) и поставляется вместе сустройством его производителем. Производители аппаратного ПО, как правило, также размещают драйверы, созданных ими устройств, на своихweb-сайтах.
Утилиты (служебные программы)
Утилиты– это служебные программы, которые предоставляют пользователю ряд дополнительных услуг и расширяют или улучшают функции операционных систем. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, нобольшинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций. К утилитам относят следующиепрограммные средства: дисковые дефрагментаторы; программы резервного копирования данных; архиваторы; диспетчеры файлов или файловые менеджеры, программы защиты и восстановления данных; антивирусные программы и др.
Утилита дефрагментациидиска предназначена для оптимизации работыдиска и повышения скорости доступа к нему. При копировании, удалении и перемещении файлов на жестком или гибком диске возникают пустые места, которые затем заполняются фрагментами других файлов. Файловая системаWindows дает возможность хранить файлы фрагментами. Если файл разбит нанесколько фрагментов, скорость доступа к нему уменьшается, поскольку на перемещение головок диска к очередному фрагменту требуется намного большевремени, чем на его считывание. Дефрагментация диска состоит в том, чтофрагменты файла собираются в один блок.
Можно выбрать один из трех способов дефрагментации: полную дефрагментацию, дефрагментацию только файлов, объединение свободных участков диска.
В первом случае фрагменты файлов объединяются так, чтобы файлы занимали непрерывный участок диска. Все свободное пространство на диске такжеобъединяется в один участок. Этот режим работы требует максимального времени. Во втором случае выполняется объединение только фрагментов файлов.
Они будут занимать последовательные участки на диске, но между ними можетбыть свободное пространство, доступное для размещения других файлов. В третьем случае отдельные свободные участки на диске собираются в одинбольшой блок.
Средства сжатия данных(архиваторы). Архиваторы– это программы, позволяющие создавать за счет специальных методов сжатия копии файловменьшего размера и объединять копии нескольких файлов в один архивныйфайл, а также распаковывать архивы(извлекать файлы из архива). Архивирование данных упрощает их хранение за счет того, что большие группы файлови каталогов сводятся в один архивный файл. При этом повышается и эффективность использования носителя за счет того, что архивные файлы обычноимеют повышенную плотность записи информации. Архиваторы часто используют для создания резервных копий ценных данных.
Сегодня архиваторы используются преимущественно для выкладывания данных в Сеть. Большинство драйверов на сайтах производителей выкладываются именно в архивах, и большая часть программ на различных ресурсах также заархивированы. Кстати, и сам пользователь прежде чем выложить какие-либо данные в Сеть (например, на файлообменные ресурсы), запаковывает данные в архив.
Что касается российского рынка, то у нас наиболее распространенными являются три архиватора: WinRAR, WinZip и 7-Zip, представленные как в 32-, так и 64-битной версиях.
Диспетчеры файлов(файловые менеджеры). С помощью программ данного класса выполняется большинство операций, связанных с обслуживанием файловой структуры: копирование, перемещение и переименование файлов, создание каталогов(папок), удаление файлов и каталогов, поиск файлов и навигация в файловой структуре. Базовые программные средства, предназначенные для этой цели, обычно входят в состав программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой. Однако для повышения удобства работы с компьютером большинство пользователей устанавливают дополнительные служебные программы(Far, Total Commander, Frigate, Sky Commander).
Средства коммуникации(коммуникационные программы). С появлениемэлектронной связи и компьютерных сетей программы этого класса приобрелиочень большое значение. Они позволяют устанавливать соединения с удаленными компьютерами, обслуживают передачу сообщений электронной почты, работу с телеконференциями(группами новостей), обеспечивают пересылкуфаксимильных сообщений и выполняют множество других операций вкомпьютерных сетях.
Средства обеспечения компьютерной безопасности. К этой весьма широкой категории относятся средства пассивной и активной защиты данных от повреждения, а также средства защиты от несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных.
В качестве средств пассивной защиты используют служебные программы, предназначенные для резервного копирования. Нередко они обладают и базовыми свойствами диспетчеров архивов(архиваторов). В качестве средств активной защиты применяют антивирусное программное обеспечение. Для защиты данных от несанкционированного доступа, их просмотра и изменения служат специальные системы, основанные на криптографии.