Компьютер как программируемая система. Понятие ресурса. Понятие вычислительной системы и информационно-вычислительной системы.

Работа компьютера возможна только в том случае, если существует программа, состоящая из последовательности команд процессора, описывающая последовательность действий, необходимых для достижения результата. При этом программа должна быть доступна процессору, следовательно, она должна находиться в оперативной памяти, и процессору должен быть известен адрес первой команды программы. Каким образом программа может оказаться в оперативной памяти? Она может быть записана туда с периферийного устройства, либо находиться в памяти постоянно. В зависимости от типа компьютера процесс начальной загрузки компьютера может выполняться по-разному. Рассмотрим последовательность действий для типового персонального компьютера. При включении компьютера в процессоре автоматически устанавливается адрес первой команды в программе, записанной в той части оперативной памяти, информация в которой не меняется никогда, даже при выключении компьютера. Такая память называется ПЗУ- постоянное запоминающее устройство, адреса этой памяти являются частью адресов оперативной памяти. Программа, записанная в ПЗУ, предназначена для начальной инициализации компьютера и загрузки других программ с внешних устройств ввода-вывода. Она записывается с помощью специальных технических средств на заводе-изготовителе и называется BIOS. (Рис.1)

Записывая на внешние устройства различные программы можно обеспечить разные виды работ одного и того же компьютера без внесения в него каких бы то изменений оборудования. Чаще всего первая программа, которая загружается с внешних устройств, предназначена для организации среды выполнения программ по требованию пользователя компьютера. Такая программа называется операционной системой. Вместо операционной системы может быть загружена любая другая программа, например, программа установки операционной системы. Эта программа служит для записи операционной системы на диск с какого-нибудь другого устройства (обычно, оптического диска) и ее настройки для управления конкретным компьютером. На один и тот же компьютер могу быть установлены различные операционные системы и даже несколько различных операционных систем. В этом случае при загрузке пользователь выбирает, какая именно операционная система будет загружена. Операционная система организует взаимодействие пользователя с компьютером, обеспечивает загрузку и выполнение одной или нескольких программ, указанных пользователем, и обеспечивает доступ этих программ к внешним устройствам, памяти и данным. Все эти элементы, а также сами выполняемые программы называются ресурсами, а сама операционная система предназначена для управления этими ресурсами. Все ресурсы можно разделить на технические и информационные. Существует две группы задач, предназначенных для решения на компьютере – выполнение большого объема вычислений и доступ к хранящейся на внешних устройствах информации больших объемов. Совокупность технических и программных средств для решения задач первой группы называют вычислительной системой, а для решения задач второй группы – информационно-вычислительной системой. Различия между этими системами заключаются в характеристиках технических средств и наборах алгоритмов выполняемых программ, в том числе и алгоритмов операционной системы.

1. Информационные ресурсы ИВС. Понятие файла и файловой системы. Файл — поименованная совокупность байтов. Файловая система — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п.

Все виды информации в компьютере и на внешних устройствах представлены в форме двоичных чисел. Перевод символьной, графической и другой информации в форму двоичных чисел называется кодированием. Двоичные числа кодов могут иметь различный размер, однако минимально адресуемым является 8-ми разрядное двоичное число, называемое байтом. Для удобства использования байты группируются. Например, все байты кодов символов какого-то документа. Такие группы байтов образуют единицы хранения. Размещенные на внешних устройствах эти группы называются файлами. Файлом называется поименованная совокупность байт. Сами файлы могут быть сгруппированы по каким-либо признакам, например, все файлы операционной системы или все документы по проекту и размещены в отдельных папках. Папка представляет собой файл, содержимое которого описывает находящиеся в этой папке файлы. Папка, как и любой файл, имеет свое имя и так же, как и любой файл, может быть указана в какой-либо другой папке. Таким образом, образуется некоторая структура хранения (Рис.2). Для доступа к файлам, их поиску, чтению, записи и других операций используют некоторый набор программ, входящих в состав операционной системы. Помимо файлов для работы этих программ может быть необходима специальная информация, в которой описываются характеристики и состояние внешнего устройства. Совокупность этих программ, информация и характеристиках и состоянии внешних устройств, а также файлы с их организацией на внешнем устройстве называют файловой системой. В зависимости от методов организации хранения файлов, методов доступа к ним и физических характеристик внешних устройств существует множество файловых систем. Каждая файловая система имеет свои характеристики и ограничения. Так, например, в различных файловых системах имена файлов могут иметь различные ограничения на длину имени, виды символов, из которых может составляться имя, количество имен одного и того же файла и т.д. А в зависимости от типа внешнего устройства мы можем по разному получать доступ к тому или иному файлу. В любой файловой системе все файлы могут делиться на обычные файлы, файлы-каталоги (папки) и специальные файлы. Специальными файлами называются файлы, связанные или ассоциируемые с устройствами, например, клавиатурой. На самой клавиатуре никаких файлов хранить нельзя, но в виде файла можно читать последовательность символов, вводимых с нее. Так как в файлах может храниться информация различной природы (тексты, рисунки, музыка, программы и т.д.), то желательно как-то различать файлы с разным типом информации. Для этого кроме имени файла используется расширение имени, которое может занимать от 0 до 3 байт. Существует набор «стандартных» расширений – txt, doc, exe, jpg и т.д., которые предполагают вполне определенные действия при попытке доступа к файлу. Например, если мы обращаемся к файлу с расширением «exe», операционная система предполагает, что в таком файле хранится программа и пытается выполнить все действия, необходимые для выполнения этой программы. При обращении к файлу «txt» операционная система считает, что в файле находится текстовая информация и запускает программу работы с текстовыми файлами, чтобы с помощью этой программы произвести обработку указанного файла. Для каждого расширения файла может быть указана своя программа обработки этого файла. Кроме имени и расширения у каждого файла существует еще несколько характеристик, предназначенных для разных целей. Например, все файлы имеют характеристику «Дата создания», которая используется, если мы просим файловую систему найти все файлы, созданные в какой-то конкретный день или какой-то диапазон дат. А характеристика «Только для чтения» не позволяет случайно внести изменения в файл. Доступ к файлам на внешних устройствах происходит существенно медленнее, чем доступ к байтам в оперативной памяти компьютера. Для снижения негативных последствий данного факта применяются специальные методы и средства, которые называются опережающим чтением, кэшированием и буферизацией. Опережающее чтение производится при первом обращении к файлу. Сама обратившаяся к файлу программа может не содержать в данный момент времени команд чтения информации из файла, а файловая система сама читает порцию информации из файла в надежде, что в ближайшее время такая команда в программе появится, т.е. это программный способ оптимизации доступа к файлам. Кэширование представляет собой процесс, когда при чтении информации с внешнего устройства в специальную память устройства читается не только запрошенная информация, ни и весь физический блок хранения информации на устройстве, несмотря на то что в этом блоке может присутствовать информации не только затребованного файла, но и других файлов. При дальнейшем обращении к данным файла информация устройством берется не с медленного устройства, а из памяти кэша, если таковая там присутствует, что уменьшает время доступа. Таким образом, кэш является физической оптимизацией доступа к информации. Буферизация представляет собой процесс, при котором в оперативную память читаются или заносятся программой несколько последовательных порций информации файла. Каждая порция информации размещается в своей области памяти, называемой буфером. Совокупность буферов образуют буферный пул. В процессе работы содержимое буфера может быть изменено на новую порцию информации по мере необходимости. Таким образом, буферизация является программным способом оптимизации доступа.