Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М., Коротенко Л.М. Введение в современную информатику

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.23. Объединение технологий

Microsoft и Intel

благодаря чему и возникло понятие "IBM-совместимость компьютеров".

10 сентября 1983 года Microsoft впервые анонсировала Windows,

появившуюся как графический интерфейс для операционной системы MS-

DOS, представляющий собой универсальную операционную среду для работы с

прикладными программами (рис. 1.22).

В 1990 г. было заключено соглашение между Microsoft и Intel по созданию

стандарта Wintel (аббревиатура Windows + Intel) (рис. 1.23), который стал

популярным благодаря ПК на базе чипов, производимых Intel, работающих под

управлением ОС Microsoft Windows. К

середине 2003 г. операционные

системы Windows-9х/NT/200х были

установлены на 91% компьютеров во

всём мире.

Сполучення даної ОС з могутніми

процесорами, що досягли до 2003 р.

швидкодії 3,2 ГГц і супермісткими

жорсткими дисками ємністю від 60 ГГб

і більше створює унікальні можливості

для рішення численних задач у різних

галузях практичної діяльності людини.

Сочетание данной ОС с мощными

процессорами, которые достигли к 2003

году быстродействия 3,2 ГГц с

супервместительными жёсткими

дисками ёмкостью от 60 ГГб и больше создаёт уникальные воможности для

решения многочисленных задач в разных областях практической деятельности

человека.

По данным аналитиков Ovum, пятёрка лидеров продаж программного

обеспечения для персональных и коропоративных вычислений в 2003 г.

выглядела следующим образом: Microsoft ($25,9 млрд.), IBM ($13,1 млрд.),

Oracle ($6,9 млрд.), SAP ($6,8 млрд.) и Hewlett-Packard ($2,6 млрд.).

Понимая громадное значение развития и продвижения информационных

технологий во все сферы государственной и промышленной деятельности ряд

стран начинают резко активизировать действия по разворачиванию

производства программного обеспечения (ПО) в сфере информационно-

компьютерных технологий (ИКТ). Так, по сравнению с приведенными выше

цифрами, по данным тех же аналитиков, в 2005 г. предполагается, что экспорт

програмного обеспечения из Индии в Америку и Европу будет превышать

$35 млрд., что составит 5–7% всего её совокупного ВВП. Кстати, вклад всего

российского сектора производства ПО в экономику страны в 2003 году не

превышал и 1%.

На таком фоне быстрый подъём Индии должен стать главным фактором её

стремительного экономического роста. Здесь она уже сейчас имеет

несравненные преимущества перед другими странами, которые только начали

работать в этом направлении. Ведь успехи Индии обеспечиваются не только

благодаря большому количеству сертифицированных специалистов, высокой

дисциплине работников при низкой стоимости их труда, но и полным

отсутствием языкового барьера, так как английский язык в Индии давно

получил статус официального и стал языком общения в сфере ИКТ. Поэтому

индийцы работают сейчас практически в каждой компании Силиконовой

долины. В самой же Индии, уже сегодня, около 60% оборота ПО – экспортные

операции, на которые работают 400 компаний. На долю двадцати самых

крупных из них приходится 67% всего оборота. При этом 57% индийского

экспорта ПО идёт в США, 22% – в западноевропейские страны и только 21% –

в другие страны мира.

О потенциале страны говорят такие цифры. В конце 1990-х годов в Индии

действовали 226 университетов, в которых обучались более 6,5 млн. студентов,

что составляло около 6% молодёжи страны в возрасте 17-23 лет (в 1972 г. здесь

было только 83 университета и 9 институтов, обучавших 2,6 млн. студентов).

По количеству англоязычных дипломированных специалистов в сфере

инфомационных технологий Индия находится на втором месте в мире после

США, а в индийских компаниях над разработкой ПО трудятся около трёхсот

тысяч специалистов. Таким образом, информационная составляющая играет

важную роль в развитии многих стран.

Вопросы

Какие носители использовались ранее и используются сейчас для

сохранения и передачи информации?

В каких видах существуют и передаються знания?

Благодаря чему постоянно ускоряются темпы накопления знаний?

Почему язык, письменность, печатный станок и другие средства

фиксирования необходимой человеку информации называются

технологиями?

Почему английскому изобретателю Чарльзу Беббиджу не удалось

реализовать свою вычислительную машину?

Какие технологии последовательно сменяли одна другую при

конструировании электронно-вычислительных машин на этапах их

развития?

Какие технологические новинки создали возможность построения

первых персональных компьютеров?

Какую роль играет операционная система в работе компьютера и в

работе пользователя?

Если ничего не получается, прочти

же, наконец, инструкцию!

Журнал CW/K №42/98

ИЗЯЩЕСТВО ПРОЦЕССА ВКЛЮЧЕНИЯ ПК

2.1

Универсальность комплектации персонального компьютера

И элементы конструкции, и программное

обеспечение ПК постоянно совершенствуются и

эволюционируют. Производители стараются приблизить

эксплуатационные характеристики ПК к уровню

домашних бытовых приборов. Но, если нажатие кнопки

"Вкл." на панели телевизора тривиально для нас по

своєму эффекту, то нажатие кнопки "Power" на системном

блоке ПК (рис. 2.1) связано с процессами, которые

требуют некоторого осмысления.

Фундаментальное концептуальное отличие ПК от

первых электронно-вычислительных машин кроется в

многоликом и ёмком слове "персональный". Мало того,

что в компьютерном комплекте, который представляет собой работоспособный

ПК, компонуется более десятка разнообразных электронных устройств,

объединённых общими для всех них соединителями и формфакторами плат. В

любой момент и любое из них может быть заменено на соответствующее по

характеристикам другое из громадного количества существующих сейчас

унифицированных частей практически от любой фирмы-производителя

(табл.2.1).

Таблица 2.1.

Компоненты, необходимые для сборки современного ПК:

Аппаратные компоненты

Состав системной (материнской) платы

Системная (материнская) плата

Гнездо процессора

Процессор

Преобразователи напряжения питания процессора

Память (оперативная память)

Набор микросхем системной логики системной

платы

Корпус

Кэш-память второго уровня (кэш L2)

Блок питания

Гнездо памяти SIMM или DIMM

Дисковод для гибких дисков

Разъёмы (слоты) шины

Жёсткий диск

ROM BIOS

Накопитель CD-ROM, CD-RW

или DVD-ROM

Батарея для питания системных часов и CMOS

Микросхема ввода-вывода

Клавиатура

Мышь

Видеоадаптер

Монитор (дисплей)

Звуковая карта

Акустическая система

Рис. 2.1. Кнопки

управления ПК

Рис. 2.2 BIOS фирмы

AWARD Software

Десятки тысяч программных продуктов разного назначения могут

выполняться на этом конкретном наборе аппаратных средств. Такая

взаимозаменяемость аппаратных компонентов и интероперабельность

(переносимость) программных средств, стали возможны благодаря тому, что

идеология внутреннего построения и концепция функционирования ПК

постоянно согласовываются и стандартизуются всеми заинтересованными

фирмами-разработчиками hardware и software. Усилиями сотен тысяч фирм-

производителей общий принцип запуска и функциониования ПК унифицирован

полностью.

2.2 BIOS всему ″голова″

Обычно, после сборки и настройки, ничего не должно помешать Вашему

ПК приступить к выполнению своих прямых обязанностей – решать для Вас

Ваши задачи. Поэтому алгоритм начала его работы "запаян" в чипе,

называющемся постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM – Read

Only Memory), который размещён на одной из плат внутри системного блока, а

сама программа, которая реализует этот алгоритм, называется базовой

системой ввода - вывода ПК (BIOS – Basic Input/Output System)

(рис. 2.2). Этот

чип как Минотавр (получеловек-полузверь), наполовину относится к

программному, а наполовину – к техническому обеспечению, одновременно

являясь и частью аппаратуры, и частью любой операционной системы и, в том

числе, и MS DOS.

При изготовлении таких чипов в настоящее

время получили распространение схемы с

перемычками в виде плавких вставок-

предохранителей, которые можно избирательно

"пережечь" с помощью внешнего источника

тока достаточной силы, получив при этом

память с соответсвующей направленностью в

работе (Programmable Read Only Memory).

Целенаправленное пережигание формирует

наперёд заданные свойства такого устройства в

виде неизменяемых кодов программных

компонентов, драйверов устройств,

подпрограмм обработки данных и т.д

Нелишне напомнить, что только в

микропроцессоре за период в 30 лет с 1971 года

число транзисторов увеличилось с

BIOS – группа программ, которые работают непосредственно с базовыми аппаратными средствами

компьютера и с некоторыми периферийными устройствами, выполняя основные, фундаментальные задачи в

системе, то есть обмен данными на уровне байта между процессором и клавиатурой, экраном, дискетой,

жёстким диском и т.д.

По способу программирования выпускаемые ПЗУ делятся на следующие три основных типа: (1) Программи-

руемые в процессе изготовления. (2) Однократно программируемые у заказчика. (3) Программируемые у

заказчика с возможностью перепрограммирования.

Рис. 2.3 Интерфейс программы

Setup BIOS

2 300 (Intel 4004) до 45 млн. (Intel Pentium 4). А частота его работы возросла с

0,108 Мгц до 3,2 Ггц (3 200 Мгц!), что вызвало необходимость внесения

соответствующих изменений в конструкцию и в состав программных

компонетов BIOS.

Как правило, BIOS для современных системных плат разрабатывается

одной из нескольких фирм, которые специализируются на этом: Phoenix

Technology, Award Software, American Megatrends Inc. (AMI) и некоторые

другие.

BIOS в большинстве IBM-совместимых компьютеров выполняет пять

основных функций:

 POST(Power-OnSelf Test) – самотестирование при включении питания

процессора, памяти, набора микросхем системной логики, видеоадаптера,

контроллеров диска, дисковода, клавиатуры и других жизненно важных

компонентов системы.

 Запуск и выполнение программы установки параметров ПК –

Setup BIOS, осуществляющей установку параметров аппаратуры компьютерной

системы для загружаемой DOC или ОС. Эта программа запускается при

нажатии определённой клавиши (или комбинации клавиш) во время

выполнения процедуры POST до загрузки операционной системы (рис. 2.3).

 Реализация начальной загру-

зки системы, то есть выполнение

поиска на дисковых устройствах ПК

главного загрузочного сектора (Master

Boot Record). Если последние два байта

этого сектора (его сигнатура) равны

55ah, данный код выполняется.

 Предоставление набора BIOS–

драйверов

, предназначенных для

взаемодействия операционной системы

и аппаратного обеспечения при загрузке

системы. При запуске DOS или

Windows в так называемом защищённом

режиме в работе устройств ПК также

используются только драйверы

устройств из BIOS.

 Обработка прерываний

при обмене данными ПК с внешними

устройствами.

Так как при каждом очередном включении компьютера неизвестна

текущая конфигурация системы (некоторые устройства могут быть на

Драйвер – программа, которая управляет работой некоторого внешнего устройства (мышь, клавиатура,

принтер и т.д.); драйвер как правило является интерфейсом между конкретным устройством и программами

ввода-вывода ОС. Наиболее характерным примером драйвера служит программа KEYRUS.COM, которая

кириллизирует клавиатуру и монитор для обеспечения русскоязычного интерфейса пользователя с ПК.

Прерывание – обрыв нормальной последовательности выполнения инструкций в работе компьютера.

Прерывание вызывает автоматическую передачу управления на заранее определённый адрес в памяти, где

расположена последовательность команд, выполнение которых и составляет процесс прерывания.

Рис. 2.4. Кнопка

RESET ПК

Рис. 2.5. Внешний вид платы

ПК с BIOS

некоторое время отключены или отсоединены, а другие находиться в

неработоспособном состоянии), то первой важной задачей BIOS является

автоматическое тестирование, или проще говоря "опрос" всего подключенного

к ПК оборудования и занесение в определённое место памяти информации об

устройствах, которые принимают участие в выполнении текущей работы.

Автотестирование выполняется программой POST (Power-On Self Test –

автотест при включении электрического питания).

При рестартировании (повторном запуске) ПК с

помощью нажатия комбинации клавиш Ctrl-Alt-Del

еще раз выполняется программа POST, но уже без

тестирования памяти. Этот способ перезапуска имеет

специальное название – "тёплый" перезапуск и может

выполняться с помощью специальной кнопки "Reset"

(рис. 2.4), которая находится на передней панели

системного блока ПК. Другой способ – "холодный"

перезапуск, который реализуется путём выключения и

повторного включения питания ПК. Оба этих способа

являются спасением в случае "зависания" компьютера

(а вернее его операционой системы), по

обстоятельствам, которые не зависят от пользователя.

Первая информация, которая появляется

на экране компьютера после его включения –

это название фирмы-изготовителя BIOS, а

потом и сама BIOS на экране дисплея

показывает список устройств, которые

подключены в данном сеансе работы и их

характеристики. Большая часть времени

самотестирования уходит на проверку

работоспособности элементов оперативной

памяти: чем больше микросхем памяти

установлено в ПК, тем дольше идёт процесс

тестирования. При обнаружении каких

нибудь неполадок, BIOS (рис. 2.5) выводит

на экран ПК соответствующие сообщения

(обычно в виде условного кода ошибки) и

извещает об этом пользователя звуковым

сигналом. Дальнейшая работа машины при этом завершается и пользователю

необходимо принять меры к устранению несправностей, которые были

обнаружены. Иногда причиной ошибки может послужить простое нарушение

контакта (например, при сильном изгибе кабеля, который присоединяет

клавиатуру, или при частичном выходе из гнезда одной из печатных плат,

которые вставляются внутрь системного блока). Такие ошибки ликвидируются

легко, но некоторые неисправности могут потребовать замены

соответствующих узлов либо целых устройств.

Рис. 2.6. Вставка дискеты в

слот дисковода

По окончании процесса тестирования, начинается этап "раскрутки"

операционной системы (bootstrapping). Буквально этот термин переводится как

"поднятие себя за голенища сапог или за шнурки ботинок". Однако речь идет

не об известном подвиге Барона Мюнхаузена, а о гениальной находке

разработчиков компьютерной техники – "втаскивании" ОС в компьютер

усилиями схемы BIOS (и её программ!). Это она, как бы на ощупь, начинает

обшаривать возможные места присутствия небольшой, но очень важной

программы начальной загрузки (т.н. Master Boot record) на одном из нескольких

дисковых устройств компьютера, которая и инициирует дальнейшую загрузку

DOS (Disc Operating Sysytem) или ОС.

Зачем же это необходимо? Рассмотрим реальную ситуацию. Вы приобрели

компьютер и ещё не успели привести в рабочее состояние его жесткий диск.

Т.е. не отформатировали

его и не установили на нём требуемую Вам

операционную систему. Как же в этом случае начать работу?

Нужно простым движением вставить в

флоппи-дисковод системную дискету (рис.

2.6), т.е. дискету с записанной на неё ОС DOS

и нажать кнопку Power. Заметим, что на

любую дискету при форматировании в Boot

sector всегда записывается Master Boot Record,

а на системную – ещё и все модули DOS.

Поэтому, когда Вы вставите эту системную

дискету в флоппи-дисковод, при включении

ПК умный BIOS найдёт на ней Master Boot

Record и загрузит его в оперативное

запоминающее устройство (ОЗУ).

Естественно, что "любая" дискета Вас не

спасёт – ведь один Master Boot Record в поле не воин! Поэтому хороший хозяин

всегда должен иметь в запасе ещё одну системную дискету с каким-либо файл-

менеджером (Volcov Commander, Far Manager или каким-либо другим). В

компьютере обычно предусмотрено (и это удобно), что роль системного диска в

ПК может играть по выбору гибкий или жёсткий магнитный диск. Поэтому

BIOS сначала делает попытку осуществить чтение с гибкого диска (рис. 2.7).

Если гибкий (флоппи) диск в момент включения ПК вставлен в слот

дисковода, то именно он и считается системным. Если же гибкий диск

отсутствует, то BIOS обращается к жесткому диску, считая системным его

(рис. 2.7). Понятно, что к этому моменту он должен быть уже отформатирован

и содержать все необходимые компоненты устанавливаемой операционной

системы (MS-DOS, Windows 9x/200x/XP или какой либо другой).

Следует отметить, что последовательность поиска программы начальной

загрузки можно менять, добавляя для этого новые устройства (допустим, CD-

ROM и т.д.), выполнив соответствующие изменения в установках программы

Форматирование – программно управляемое нанесение на поверхность дисков участков стандартной длины

(секторов) для последующей записи файлов.

Setup BIOS. Важно также и то, что системная BIOS (т.е. та, которая находится в

чипе, укреплённом на плате в системном блоке) содержит драйверы основных

компонентов ПК (клавиатуры, дисковода, жёсткого диска, последовательного и

параллельного портов и т.д.), необходимых для начального запуска

компьютера.

По мере появления всё новых и новых устройств (видеоадаптеров,

накопителей CD-

ROM, жёстких дисков с интерфейсом SCSI и т.д.) их

процедуры инициализаци не добавлялись в системную BIOS. Острая

необходимость в таких устройствах в процессе запуска компьютера приводит к

Рис. 2.7. Процесс поиска на дисках и размещения в ОЗУ ПК программы

начальной загрузки Master Boot Record (начальная запись)

BIOS

Флоппи диск

А:\

Boot Sector

(Размер сектора 512 байт)

Местонахождение –

сторона 0, дорожка 0,

сектор 1

Master Boot Record

размер 512 байт

Жёсткий диск

С:\

…

Boot Sector

(Размер сектора 512 байт)

Местонахождение –

сторона 0, дорожка 0,

сектор 1

Master Boot Record

размер 512 байт

Поиск Master

Boot

Record на

флоппи-диске

Флоппи-диска

нет?

Идём на

жёсткий диск.

Загрузка первой

найденной записи

Boot Record

Память ПК

ОЗУ - RAM

необходимости загрузки соответствующих драйверов непосредственно с

дисков во время установки операционной системы. Это, в первую очередь

относится к звуковым адаптерам, сканерам, принтерам, устройствам PC Card

(PCMCIA) и т.д.

Однако, некоторые устройства крайне необходимы на начальном этапе

запуска компьютера. Например, для отображения информации на экране

жидкокристаллического монитора необходима активизация соответствующего

видеоадаптера, но его поддержка не встроена в системную BIOS. Кроме того,

сейчас существует большое количество различных видеоадаптеров и все их

драйверы невозможно разместить в BIOS. В таких случаях необходимые

драйверы размещаются в микросхеме второй BIOS, размещаемой на плате

самого этого устройства.

А системная BIOS, при загрузке, ищет вторую, специализированную BIOS

требуемого видеоадаптера и загружает её в ОЗУ до запуска операционной

системы. Такое расположение и использование второй BIOS предотвращает

необходимость постоянной модернизации основной системной BIOS при

появлении новых моделей устройств и особенно тех, которые используются на

начальных этапах включения компьютера.

Поскольку в целом принципы загрузки различных операционных систем с

помощью BIOS подобны между собой, то дальнейшее описание процессов,

которые сопровождают подготовку компьютера к дальнейшей работе, будет

проведено на примере операционной системы MS DOS.

Итак, после самотестирования устройств ПК, важнейшей задачей BIOS

является поиск записи Master Boot Record, размещения её в памяти ПК (ОЗУ) и

передача на неё управления с целью выполнения. А уже Master Boot Record, в

свою очередь, начинает процесс загрузки модулей операционной системы.

Когда же Вы уже приступили к работе на компьютере, включается пятая

важная функция BIOS – обслуживание прерываний ОС, которые производятся

программными или аппаратными средствами с целью выполнения операций

обмена информацией между устройствами и узлами ПК. Прерывания можно

разделить на три основные группы: аппаратные, логические и программные.

Источниками аппаратных прерываний являются падения напряжения питания,

нажатия клавиш клавиатуры, поступление очередного импульса от счётчика

времени (таймера), возникновение специальных сигналов от накопителей на

гибких или жёстких дисках и др.

Логические

или процессорные, прерывания возникают при разных

нестандартных ситуациях в работе центрального процессора (CPU – Central

Processing Unit) — деление на нуль, переполнение регистров, появление «точки

останова» и др.

Программные прерывания — наиболее обширная категория.

Вырабатываются они, когда одна программа хочет получить определенный

сервис со стороны другой программы. Причём этот сервис, как правило, связан

с обменами данных между компонентами аппаратных средств, а так же работой

программ с ними.

Вернёмся, однако, к процессу загрузки DOS. Наверное, лучше всего его

можно описать формулой: "дедка за репку, бабка за дедку и т.д.". Только в

нашем случае это будет выглядеть приблизительно так: "BIOS за Boot Record,

Boot Record за файл IO.SYS, IO.SYS за COMMAND.COM и т.д. (рис. 2.8).

Поскольку BIOS находится в постоянном запоминающем устройстве,

изменения прерываний, которые в ней реализованы, представляются

достаточно сложной задачей. Поэтому разработчиками был предложен

механизм, который позволяет дополнять возможности работы BIOS с новой

аппаратурой.

Для этого в DOS предназначен модуль IO.SYS, который называется

модулем расширения BIOS. В него можно вводить новые прерывания, которые

"перекрывают" (заменяют) старые, либо подключать программы-драйверы для

обеспечения работы с любыми новыми устройствами, либо работать по-новому

со старыми.

Таким образом, IO.SYS загружает в ОЗУ Boot Record вместе с модулем

обработки прерываний DOS под названием MSDOS.SYS. Чтобы упростить

работу Boot Record оба этих модуля располагаются, начиная с первого сектора

системного диска. Первым из этих двух модулей начинает работу IO.SYS,

который внимательно читает и обрабатывает информацию, находящуюся в

файле CONFIG.SYS. В нём сообщается о необходимости подключения новых

драйверов внешних устройств, а также конфигурируется операционная

обстановка. CONFIG.SYS редактируется (изменяется) пользователем заранее

как простой текстовый файл и его содержимое будет рассмотрено далее.

Завершив чтение и обработку файла CONFIG.SYS, модуль расширения

BIOS (IO.SYS) передает управление на загруженный к этому моменту в ОЗУ

модуль обработки прерываний DOS под названием MSDOS.SYS, в котором

COMMAND.COM

транзитная часть, внешние команды

COMMAND.COM

Резидентная часть

MSDOS.SYS

IO.SYS

Драйверы

Boot Record

BIOS

Драйверы

Пользователь

Рис. 2.8. Иерархия элементов модульной структуры MS-DOS